Wissenschaftler sind fehlerkorrigierenden Quantencomputern einen Schritt näher

Fehler passieren – vor allem bei Quantencomputern. Die fragilen Quantenbits oder Qubits, aus denen die Maschinen bestehen, sind notorisch fehleranfällig, aber jetzt haben Wissenschaftler gezeigt, dass sie die Fehler beheben können.

Computer, die sich die Regeln der Quantenmechanik zunutze machen, sind vielversprechend, um Berechnungen weit außerhalb der Reichweite von Standardcomputern durchzuführen (SN: 29.06.17). Aber ohne einen Mechanismus zur Behebung der Fehler der Computer könnten die Antworten, die ein Quantencomputer ausspuckt, Kauderwelsch (SN: 22.06.20).

Die Kraft mehrerer Qubits in einer Dose kombinieren löse den fehler elend, Forscher berichten 4. Oktober in Natur. Wissenschaftler verwendeten neun Qubits, um ein einzelnes, verbessertes Qubit herzustellen, das als logisches Qubit bezeichnet wird und das im Gegensatz zu den einzelnen Qubits, aus denen es hergestellt wurde, auf Fehler untersucht werden kann.

„Dies ist eine Schlüsseldemonstration auf dem Weg zum Bau eines großen Quantencomputers“, sagt der Quantenphysiker Winfried Hensinger von der University of Sussex im englischen Brighton, der an der neuen Studie nicht beteiligt war.

Doch dieser Weg sei noch lang, sagt Hensinger. Um komplexe Berechnungen durchführen zu können, müssen Wissenschaftler die Anzahl der Qubits in den Maschinen drastisch erhöhen. Aber jetzt, wo Wissenschaftler gezeigt haben, dass sie Fehler unter Kontrolle halten können, sagt er: „Nichts hindert uns grundsätzlich daran, einen brauchbaren Quantencomputer zu bauen.“

In einem logischen Qubit werden Informationen redundant gespeichert. So können Forscher Fehler in den Daten überprüfen und beheben. „Wenn ein Stück davon verloren geht, kann man es aus den anderen Teilen rekonstruieren, wie Voldemort“, sagt der Quantenphysiker David Schuster von der University of Chicago, der an der neuen Forschung nicht beteiligt war. (Die Harry Potter Bösewicht beschützte seine Seele, indem er sie in mehreren Objekten namens Horkruxe versteckte.)

In der neuen Studie wurden vier zusätzliche Hilfs-Qubits mit dem logischen Qubit verbunden, um Fehler in seinen Daten zu identifizieren. Zukünftige Quantencomputer könnten Berechnungen mit logischen Qubits anstelle der ursprünglichen, fehlerhaften Qubits durchführen und dabei auftretende Fehler immer wieder überprüfen und beheben.

Um ihr logisches Qubit herzustellen, verwendeten die Forscher eine Technik namens Bacon-Shor-Code und wandten sie auf Qubits aus Ytterbium-Ionen an, die über einem Ionenfallenden Chip in einem Vakuum schweben und mit Lasern manipuliert werden. Damit sich Fehler nicht unkontrolliert vermehren, haben die Forscher auch Abläufe gestaltet, die so genannte „Fehlertoleranz“.

Dank dieser Bemühungen hatte das neue logische Qubit eine niedrigere Fehlerrate als die der fehlerhaftesten Komponenten, aus denen es bestand, sagt der Quantenphysiker Christopher Monroe von der University of Maryland in College Park und der Duke University.

Das Team hat jedoch den für die Fehlerkorrektur vorgesehenen vollständigen Prozess nicht vollständig abgeschlossen. Während der Computer die aufgetretenen Fehler erkannte, korrigierten die Forscher die Fehler nicht und fuhren mit der Berechnung fort. Stattdessen haben sie Fehler behoben, nachdem der Computer fertig war. In einem vollwertigen Beispiel würden Wissenschaftler Fehler mehrmals im laufenden Betrieb erkennen und korrigieren.

Die Demonstration der Quantenfehlerkorrektur ist eine Notwendigkeit für den Bau nützlicher Quantencomputer. „Es ist, als würde man Kritikalität erreichen mit [nuclear] Spaltung“, sagt Schuster. Als diese nukleare Wissenschaftsbarriere 1942 überwunden war, führte sie zu Technologien wie Atomkraft und Atombomben (SN: 29.11.17).

Da sich Quantencomputer allmählich dem praktischen Nutzen nähern, investieren Unternehmen in die Geräte. Technologieunternehmen wie IBM, Google und Intel veranstalten große Quantencomputing-Projekte. Am 1. Oktober hat ein von Monroe mitgegründetes Quantencomputing-Unternehmen genannt IonQ, an die Öffentlichkeit gegangen; Monroe sprach mit Wissenschaftsnachrichten während eines Roadtrips, um die Eröffnungsglocke an der New Yorker Börse zu läuten.

Das neue Ergebnis deutet darauf hin, dass die vollständige Quantenfehlerkorrektur fast da ist, sagt Co-Autor Kenneth Brown, ebenfalls Quanteningenieur an der Duke University. “Es zeigt wirklich, dass wir alle Teile zusammenbringen und alle Schritte ausführen können.”


Source: Science News by www.sciencenews.org.

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