Neue Art eines universellen Quantencomputers

Die Rechenleistung von Quanten­computern ist aktuell noch sehr gering. Sie zu steigern erweist sich derzeit noch als große Herausforderung. Physiker der Universität Innsbruck präsentieren nun eine neue Architektur für einen universellen Quanten­computer, die solche Beschränkungen überwindet und in naher Zukunft die Basis für den Bau der nächsten Generation von Quantenrechnern sein könnte.

In einem Quantencomputer dienen Quantenbits als Recheneinheit und Speicher zugleich. Weil Quanten­information nicht kopiert werden kann, lässt sich diese nicht wie beim klassischen Computer in einen Speicher auslagern. Aufgrund dieser Einschränkung müssen alle Qubits eines Quanten­computers miteinander wechselwirken können. Für den Bau leistungs­starker Quantencomputer stellt dies aktuell noch eine große Herausforderung dar. Diese Schwierigkeit hat der theoretische Physiker Wolfgang Lechner 2015 gemeinsam mit Philipp Hauke und Peter Zoller thematisiert und eine neue Architektur für einen Quanten­rechner vorgeschlagen, die heute nach den Autoren benannte LHZ-Architektur. „Diese Architektur war ursprünglich für Optimierungs­probleme konzipiert“, erinnert sich Wolfgang Lechner vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Dabei haben wir die Architektur auf ein Minimum reduziert, um diese Optimierungs­probleme möglichst effizient lösen zu können.“

Die physikalischen Qubits repräsentieren in dieser Architektur nicht einzelne Bits, sondern stellen die relative Koordinierung zwischen den Bits dar. „Dadurch müssen nicht mehr alle Qubits miteinander wechsel­wirken“, erläutert Wolfgang Lechner. Mit seinem Team hat er nun gezeigt, dass dieses Parity-Konzept auch für einen universellen Quantencomputer taugt. Parity-Rechner können wechselwirkende Gatter­operationen – also Rechen­operationen zwischen zwei oder mehreren Qubits – auf einem einzelnen Qubit ausführen. „Bereits existierende Quanten­computer setzen solche Operationen im Kleinen schon sehr gut um“, erklärt Michael Fellner aus dem Team von Wolfgang Lechner. „Mit der Zahl der Qubits wird es aber immer aufwändiger, diese wechselwirkenden Gatter­operationen zu implementieren.“

Die Innsbrucker Wissenschaftler zeigen nun, dass Parity-Rechner zum Beispiel Quanten­fouriertrans­formationen – ein grundlegender Baustein sehr vieler Quantenalgorithmen – mit deutlich weniger Rechen­schritten und damit rascher ausführen können. „Durch die hohe Parallelität unserer Architektur kann etwa der bekannte Shor-Algorithmus zur Fak­torisierung von Zahlen sehr effizient ausgeführt werden“, erläutert Fellner. Das neue Konzept bietet außerdem eine Hardware-effiziente Fehlerkorrektur. Weil Quanten­systeme sehr empfindlich auf Störungen reagieren, müssen Quantenrechner Fehler laufend korrigieren. Für den Schutz der Quanten­information müssen erhebliche Ressourcen aufgewendet werden, was die Zahl der notwendigen Qubits sehr stark in die Höhe treibt. „Unser Modell arbeitet mit einer zweistufigen Fehler­korrektur, ein Typ von Fehlern (Bit-Flip-Fehler oder Phasenfehler) wird durch die verwendete Hardware unterbunden“, sagen Anette Messinger und Kilian Ender, ebenfalls Mitglieder des Innsbrucker Forschungsteams.

Dafür gibt es bereits erste experi­mentelle Ansätze auf unter­schiedlichen Plattformen. „Der andere Fehlertyp kann über die Software erkannt und korrigiert werden“, so Messinger und Ender. Damit ließe sich eine nächste Generation von universellen Quanten­computern mit über­schaubarem Aufwand realisieren. Das von Wolfgang Lechner und Magdalena Hauser mitgegründete Spin-off-Unter­nehmen ParityQC arbeitet in Innsbruck bereits mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an möglichen Umsetzungen des neuen Modells.

U. Innsbruck / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  M. Fellner et al.: Universal Parity Quantum Computing, Phys. Rev. Lett. 129, 180503 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.180503
• M. Fellner et al.: Applications of Universal Parity Quantum Computation, Phys. Rev. A 106, 042442 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevA.106.042442
• Quanten-Optimierung, Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck