08.12.2021 • Quantenphysik

Meilenstein in der Quanten-Fehlerkorrektur erreicht

System detektiert und korrigiert erstmals beide fundamentale Fehlertypen von Quantencomputern.

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.

Abb.: Der Quantencomputer-Chip, auf einer Leiterplatte montiert. (Bild:... — Abb.: Der Quantencomputer-Chip, auf einer Leiterplatte montiert. (Bild: Quantum Device Lab, ETH Zürich)

„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