Quantensysteme mit Selbstkorrektur

Mit Quantentechnologien lassen sich Rechen- und Messaufgaben lösen, die über das hinausgehen, was klassische Techniken leisten können. Allerdings ist es eine schwierige und knifflige Aufgabe, Quantenzustände vor dem Einfluss von Fehlern zu schützen. Ein internationales Forscher­team aus Innsbruck, Harvard, Kopenhagen und Waterloo hat nun eine neue Methode vorgestellt, mit der Quanten­information in gefangenen Ionen geschützt werden kann.

In Ionenfallen gespeicherten Teilchen gelten als zukunftsträchtige Technologie für den Bau eines Quanten­computers. In ihrem neuen Vorschlag verwenden die Forscher Dissipation, d.h. die Wechselwirkung eines Quanten­systems mit seiner Umgebung, um Quanten­zustände zu korrigieren. Dissipation wird normalerweise möglichst vermieden, kann aber auch ausgenutzt werden.

Standardmäßige Quantenfehler­korrekturen werden durch die Anwendung einer Sequenz von Gattern in einem logischen Quanten­schaltkreis durchgeführt. Dabei sind Messungen mit klassischen Messgeräten notwendig. Das nun vorgestellte neue dissipative Schema kommt ohne logischen Schaltkreis aus und erfordert auch keine Messungen.

„Der gesamte Prozess der Fehlerkorrektur erfolgt autonom auf mikroskopischer Ebene, so dass Quanten­systeme sich selbst korrigieren können“, erklärt Ko-Autorin Christine Muschik vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanten­information (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Der neue Ansatz hat wichtige praktische Anwendungen bei hochpräzisen Messungen. „Wir zeigen in der Arbeit, wie der neue dissipative Korrektur­mechanismus genutzt werden kann, um die Genauigkeit bei der Erfassung schwacher Magnetfelder zu erhöhen“, erzählt Christine Muschik. Diese Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Verbesserung hochpräziser Messverfahren mit gefangenen Ionen und stellen einen Meilenstein auf dem Weg zu einer selbst­korrigierenden Quanten­informations­verarbeitung dar.

U. Innsbruck / DE