Korrektursystem

Forscher ebnen Weg für fehlerfreie Quantencomputer

09.12.2021 09:53

Quanten-Bits versprechen ultraschnelle Berechnungen, sind aber störanfällig. Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, nicht nur eine, sondern beide Fehlerarten, die in einem Quantencomputer auftreten können, aufzuspüren und zu beseitigen.

Leistungsfähige Quantencomputer könnten dereinst Rechenprobleme lösen, an denen bisherige Maschinen scheitern oder Jahre benötigen würden. Nur: Die Rechnungseinheiten der Quantencomputer, die Qubits, sind störanfällig. Technologieunternehmen und Hochschulen liefern sich einen Wettstreit, um die dadurch entstehenden, kaum vermeidbaren Fehler zu erkennen und zugleich zu korrigieren.

Die Forschenden um Andreas Wallraff, Physikprofessor und Direktor des Quantum Center der ETH Zürich, berichten nun von einem Reparaturmechanismus, mit dem sie beide Fehlerarten, die in Quantensystemen unweigerlich auftreten, beheben können. „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“, wurde Wallraff in einer Aussendung der ETH Zürich zitiert.

Vergleichbar mit einem Lichtschalter kann ein Bit in einem herkömmlichen Computer die Zustände „0“ und „1“ annehmen. Bei einem Fehler werden Nullen und Einsen vertauscht. Dies kann auch bei Quanten-Bits passieren. Bizarrerweise können Qubits aber auch beide Zustände - „0“ und „1“ - gleichzeitig annehmen. Durch dieses quantenphysikalische Phänomen namens Superposition können sich zusätzliche, sogenannte Phasen-Fehler einschleichen. Beide Fehlerarten müssen im Quantencomputer korrigiert werden, was dem ETH-Forschungsteam nun gemeinsam mit deutschen und kanadischen Kollegen gelungen ist.

Die Zuleitungen zum Chip sind aus speziellen Materialien gefertigt, die das Arbeiten mit dem Quantenprozessor bei extrem tiefen Temperaturen zuverlässig ermöglichen.

(Bild: ETH Zürich/Daniel Winkler)

Ausgeklügeltes Korrektursystem
Das ausgeklügelte Korrektursystem stellten sie in einer noch nicht von anderen Fachleuten begutachteten Studie vor. Es beruht auf 17 supraleitenden, planar angeordneten Qubits in einem Chip. Diese arbeiten bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, bei minus 273,14 Grad. Neun der Qubits sind in einem Drei-mal-drei-Gitter zu einem logischen Qubit zusammengefasst, wo letztlich die Berechnungen stattfinden. Die restlichen Qubits dienen als Fehler-Detektoren, und die Steuerelektronik korrigiert die fehlerhaften Signale.

Der Clou: Die Hilfsqubits erkennen Fehler, ohne dass der Zustand der logischen Qubits kollabiert. Dieses Verfahren zur Fehlererkennung und -behebung nennt sich Surface Code. Es sei die erfolgversprechendste Form der Fehlerkorrektur im Quantencomputer, da sie mit den meisten Fehlern umgehen könne, so Wallraff gegenüber der Nachrichtenagentur Keystone-SDA.

Er und sein Team möchten nun einen Chip mit einem Fünf-mal-fünf-Qubit-Gitter bauen, schrieb die ETH. Dieses System erfordere eine aufwendigere Technik und solle zudem mehr Qubits zur Fehlerkorrektur enthalten.