Geschützte Qubits

Fortschritt in der Entwicklung von fehlertoleranten Quantencomputern.

Auch Computer können sich verrechnen. Schon kleine Störungen verändern gespeicherte Informationen und verfälschen das Rechen­ergebnis. Deshalb nutzen Rechen­maschinen Verfahren, um solche Fehler laufend zu korrigieren. Bei Quantencomputern lässt sich die Fehleranfälligkeit reduzieren, indem Quanten­information nicht in einem einzelnen Quantenteilchen gespeichert, sondern in eine größere Anzahl von Quantenobjekten kodiert wird. Diese logischen Quantenbits sind unempfind­­licher gegenüber Störungen. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker viele verschiedene Fehler­korrekturcodes entwickelt und diese für unterschiedliche Aufgaben optimiert.

„Die vielver­sprechendsten Codes in der Quantenfehler­korrektur sind solche, die auf einem zweidimensionalen Gitter definiert sind“, erläutert Thomas Monz vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck. „Der Grund dafür ist, dass die physikalische Struktur aktueller Quanten­computer sehr gut durch solche Gitter abgebildet werden kann.“ Mit Hilfe der Codes lässt sich Quanten­information redundant über mehrere Quantenobjekte verteilen. Den Innsbrucker Quantenphysikern ist es nun erstmals gelungen, zwei auf diese Weise kodierte Quantenbits miteinander zu verschränken.

Abb.: Quanten­teilchen aufgereiht in einem Gitter bilden die Basis für einen...
Abb.: Quanten­teilchen aufgereiht in einem Gitter bilden die Basis für einen fehler­toleranten Quanten­prozessor. (Bild: H. Ritsch, U. Innsbruck)

Für ihr Experiment verwenden die Physiker einen Ionen­fallen-Quanten­computer mit zehn Ionen. In diese werden die logischen Quantenbits kodiert. Mit einem Verfahren, das die Wissenschaftler als „Gitter­chirurgie“ bezeichnen, lassen sich die logischen Quantenbits „vernähen“. „Aus den zusammen­genähten Quantenbits entsteht ein neues, größeres Quantenbit“, erklärt Alexander Erhard.

„Ein großes logisches Quantenbit kann wiederum mittels Gitter­chirurgie in zwei einzelne logische Quantenbits aufge­trennt werden.“ Im Gegensatz zu den Standard­operationen zwischen zwei logischen Quantenbits erfordert die Gitter­chirurgie nur Operationen entlang der Grenze der kodierten Quantenbits, nicht auf ihrer gesamten Oberfläche. „Dies reduziert die Anzahl der Operationen, die erfor­derlich sind, um eine Verschränkung zwischen zwei kodierten Quanten­bits zu erzeugen“, erläutern die Theoretiker Nicolai Friis und Hendrik Poulsen Nautrup.

Die Gitter­chirurgie gilt als eine der Kern­technologien für den Betrieb zukünftiger fehler­toleranter Quanten­computer. Mit Hilfe dieses Verfahrens haben die Physiker um Thomas Monz und Rainer Blatt nun gemeinsam mit den Theo­retikern Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie Nicolai Friis vom Institut für Quantenoptik und Quanten­information (IQOQI) der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften in Wien zwei kodierte Quantenbits miteinander verschränkt. Es handelt sich dabei um die erste experimentelle Realisierung von nicht­klassischen Korre­lationen zwischen topologisch kodierten Quantenbits. Darüber hinaus konnten die Forscher zum ersten Mal die Übertragung von Quanten­zuständen zwischen zwei kodierten Quantenbits demonstrieren.

U. Innsbruck / JOL

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