Meilenstein in der Quanten-Fehlerkorrektur erreicht

Quantencomputer gelten als Hoffnungs­träger für die künftige Informations­verarbeitung. Ob sie herkömmliche Computer aber je werden ablösen können, ist ungewiss, denn Quanten­computer bergen ein Problem: Sie sind extrem fehler­anfällig und die Fehler­korrektur ist sehr anspruchsvoll. Forschern der ETH Zürich ist es jetzt gelungen, eine wichtige Hürde zu überwinden: Sie konnten erstmals Fehler in Quanten­systemen so weit automatisch korrigieren, dass die Ergebnisse der Quanten­operationen praktisch verwendet werden können.

„Der Nachweis, dass sich Fehler in einem mit Qubits arbeitenden Quanten­computer schnell und wiederholt korrigieren lassen, ist ein Durchbruch auf dem Weg zu einem praxis­tauglichen Quanten­computer“, sagt Andreas Wallraff von der ETH Zürich. Bisherige Fehler­korrektur­verfahren konnten jeweils nur eine von zwei funda­mentalen Fehler­arten, die in Quanten­systemen auftreten, aufspüren und korrigieren. Das Team um Wallraff präsentiert das erste System, das beide Fehler­typen wiederholt sowohl detektieren als auch korrigieren kann. Gelungen ist den Forschern dieser Erfolg mit einem eigens im Rein­raum­labor der ETH Zürich hergestellten Chip, auf dem sich insgesamt 17 supra­leitende Qubits befinden. Die Fehler­korrektur realisierten das Forschungs­team mit dem Surface Code – einer Methode, bei der die Quanten­information eines Qubits über mehrere physikalische Qubits verteilt wird.

Neun der 17 Qubits, die sich auf dem Chip befinden, sind in einem quadratischen Gitter angeordnet und bilden gemeinsam ein logisches Qubit – die Rechen­einheit für einen Quanten­computer. Die restlichen acht Qubits auf dem Chip sind versetzt dazu angebracht. Ihre Aufgabe ist es, Fehler im System zu erkennen. Tritt im logischen Qubit eine Störung auf, welche die Information verfälscht, erkennt das System diese Störung als Fehler. Die Steuer­elektronik korrigiert daraufhin das Messsignal entsprechend. „Im Moment korrigieren wir die Fehler noch nicht direkt in den Qubits“, gibt Team-Mitglied Sebastian Krinner zu bedenken. „Aber für die meisten Rechen­operationen ist das auch gar nicht notwendig.“

Die hochspezialisierte Elektronik, mit der die Qubits auf dem Chip angesteuert werden, wurde vom ETH-​Spin-off Zurich Instruments hergestellt. Der Chip selbst befindet sich auf der untersten Ebene eines großen Kryostaten und arbeitet bei einer Temperatur von 0,01 Kelvin, also knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Die Fehlerkorrektur ist derzeit ein stark umkämpftes Feld in der Quanten­forschung. Neben technischen Hochschulen wie der ETH Zürich oder der TU Delft beteiligen sich auch große Konzerne wie Google oder IBM an diesem Wettbewerb. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun einen Chip mit einem Gitter aus 25 Qubits bauen, dass eine entsprechend aufwändigere Technik erfordert und auch mehr Qubits zur Fehler­korrektur enthalten soll.

ETH Zürich / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Krinner et al.: Realizing Repeated Quantum Error Correction in a Distance-​Three Surface Codecall_made; arXiv:2112.03708 [quant-ph]
• Quantum Device Lab (A. Wallraff), Laboratorium für Festkörperphysik, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz