13.06.2022

Quantencomputing ohne Fehler

Universelles Set von Quanten-Rechenoperationen auf fehlertoleranten Qubits umgesetzt.

Die hohe Präzision moderner Computer hat das Auftreten von Fehler während der Verarbeitung und Speicherung von Daten zu einer Seltenheit werden lassen. Für kritische Anwendung, bei welchen schon einzelne Fehler schwerwiegende Folgen haben können, werden jedoch immer noch Fehler­korrektur­mechanismen, die auf Redundanz der verarbeiteten Daten basieren, eingesetzt. Quanten­computer sind deutlich anfälliger für Störungen und werden damit wohl immer auf Fehler­korrektur­mechanismen angewiesen sein, weil Fehler sich sonst unkontrolliert im System ausbreiten und Information verloren geht.

Weil die Quantenphysik es verbietet, Quanten­information zu kopieren, muss ein logisches Quantenbit auf einen verschränkten Zustand mehrerer physikalischer Systeme, zum Beispiel einzelner Atome, verteilt werden, um die notwendige Redundanz zu erreichen. Dem Team um Thomas Monz vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck und Markus Müller von der RWTH Aachen und dem Forschungs­zentrum Jülich in Deutschland ist es nun erstmals gelungen, ein Set von Rechen­operationen auf zwei logischen Quantenbits zu realisieren, mit dem jede mögliche Operation umgesetzt werden kann. „Für einen praxistauglichen Quantencomputer benötigen wir einen universellen Gattersatz, mit dem wir alle Algorithmen programmieren können“, erklärt der Innsbrucker Experimental­physiker Lukas Postler.

 

Abb.: Künstlerische Darstellung der Manipulation von logischen Quantenbits,...
Abb.: Künstlerische Darstellung der Manipulation von logischen Quantenbits, die durch Quanten­fehler­korrektur vor Fehlern geschützt sind. (Bild: J. Knünz)

Die Wissenschaftler haben diesen universellen Gattersatz auf einem Ionenfallen-Quantencomputer mit 16 gefangenen Atomen umgesetzt. Die Quanteninformation wurde dabei in zwei logischen Quantenbits gespeichert, die auf jeweils sieben Atome verteilt waren. Nun ist es erstmals gelungen, auf diesen fehlertoleranten Quantenbits zwei Rechengatter zu realisieren, die für einen universellen Gattersatz notwendig sind: eine Rechenoperation auf zwei Quantenbits (ein CNOT-Gatter) und ein logisches T-Gatter, welches auf fehler­toleranten Quantenbits besonders schwierig zu implementieren ist.

„T-Gatter sind sehr fundamentale Operationen“, erläutert der Theoretiker Markus Müller. „Sie sind besonders interessant, weil Quanten­algorithmen ohne T-Gatter auf klassischen Computern relativ einfach simuliert werden können. Bei Algorithmen mit T-Gattern ist das nicht mehr möglich.“ Demonstriert haben die Physiker das T-Gatter, indem sie einen speziellen Zustand in einem logischen Quantenbit präpariert und diesen über eine verschränkte Gatter­operation auf ein weiteres Quantenbit teleportiert haben.

In logischen Quantenbits ist die gespeicherte Quanteninformation vor Fehlern geschützt. Doch diese ist ohne Rechenoperationen nutzlos und diese Operationen sind selbst fehleranfällig. Die Physiker haben Operationen auf den logischen Quantenbits so implementiert, dass auch Fehler, welche durch die zugrunde­liegenden physikalischen Operationen verursacht werden, erkannt und korrigiert werden können. So haben sie die erste fehlertolerante Implementierung eines universellen Gattersatzes auf logischen Quantenbits umgesetzt.

„Die fehlertolerante Implementierung benötigt mehr physikalische Operationen. Diese Operationen führen zwar zu zusätzlichen Fehlern auf den einzelnen gefangenen Atomen, dennoch ist die Qualität der logischen Quanten­operationen besser als die nicht-fehler­toleranter Implementierungen“, freut sich Thomas Monz. „Aufwand und Komplexität steigen, aber das Ergebnis ist besser.“ Ihre experimentellen Ergebnisse haben die Forscher auch mittels numerischer Simulationen auf klassischen Rechnern überprüft und bestätigt.

Die Physiker verfügen nun über alle Bausteine für fehlertolerantes Rechnen auf einem Quanten­computer. Jetzt geht es darum, diese Methoden auf größeren und damit für die Praxis interessanten Quanten­rechnern umzusetzen. Die in Innsbruck auf einem Ionenfallen-Quanten­computer gezeigten Verfahren können auch auf anderen Architekturen für Quanten­computer eingesetzt werden.

U. Innsbruck / DE

 

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