Quantencomputer machen (noch) Fehler. Diese auszumerzen, ist ein großes Ziel der Forschung. Ein Durchbruch scheint jetzt gelungen zu sein. (Bild: ETH Zürich / Quantum Device Lab)
Die Fehler, die bei Operationen mit Qubits auftreten, werden auch als Rauschen bezeichnet. Ein Großteil der Anstrengungen, Quantum Computing voranzutreiben, zielt exakt darauf ab, die Fehler bei der Operation mit Qubits zu verringern. Wie das gehen könnte, haben jetzt Forscher an der ETH Zürich demonstriert.
Im Wettlauf um den ersten praxistauglichen Quantencomputer übertreffen sich Tech-Konzerne wie Google oder IBM gerne mit Zahlen. Jüngst stellte IBM seinen Prozessor Eagle vor, einen Quantenprozessor mit 127 Quantenbits, der damit die Schallmauer von 100 Qubits durchbrochen hat. Doch es bedarf mehr als symbolisch hohe Zahlen, müssen diese Qubits möglichst fehlerfrei rechnen. Verfahren, um sie automatisch zu korrigieren, entpuppten sich als sehr kompliziert. Nun melden Physiker um Andreas Wallraff von der ETH Zürich einen 'Meilenstein'im Kampf gegen die Fehleranfälligkeit. Mit einer Schaltung aus 17 Qubits wollen sie dem Ziel näherkommen, Fehler lückenlos zu detektieren und in Echtzeit zu korrigieren. Ihr Ergebnis stellen sie in einem noch nicht begutachteten (peer-review) Fachartikel vor, der als Preprint vorliegt. Sie konnten dabei erstmals Fehler in Quantensystemen soweit automatisch korrigieren, dass die Ergebnisse der Quantenoperationen praktisch verwendet werden können. „Der Nachweis, dass sich Fehler in einem mit Quanten-Bits (Qubits) arbeitenden Quantencomputer schnell und wiederholt korrigieren lassen, ist ein Durchbruch auf dem Weg zu einem praxistauglichen Quantencomputer“, sagt Andreas Wallraff, Professor am Departement Physik und Direktor des Quantum Center der ETH Zürich.
Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten
Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.
Wie die Forscher die Quanten-Fehlerkorrektur erreicht haben
Bisherige Fehlerkorrekturverfahren konnten jeweils nur eine von zwei fundamentalen Fehlerarten, die in Quantensystemen auftreten, aufspüren und korrigieren. Erstens existiert eine eigene Tendenz quantenmechanischer Systeme, von ihrem Zustand abzuweichen, was die Kontrolle der Qubits erschwert. Zweitens entstehen Fehler durch die ungewollte Interaktion mit der Umgebung.
Das Team um Andreas Wallraff präsentiert nun das erste System, das beide Fehlertypen wiederholt sowohl detektieren als auch korrigieren kann. Gelungen ist den Forschenden dieser bedeutende Erfolg mit einem eigens im Reinraumlabor der ETH Zürich hergestellten Chip, auf dem sich insgesamt 17 supraleitende Qubits befinden. Die Fehlerkorrektur realisierten das Forschungsteam mit dem Surface Code – einer Methode, bei der die Quanteninformation eines Qubits über mehrere physikalische Qubits verteilt wird.
Das ist das Problem mit der Superposition
Entgegen dem klassischen Bit, das nur entweder 1 oder 0 sein kann, existiert das Qubit in einem Zustand zwischen 0 und 1, der Superposition. Das ermöglicht ihm zwar, beide Werte parallel zu verarbeiten, bringt aber zwei Nachteile:
- Die Superposition ist anfällig für kleinste Störungen aus der Umwelt, es entstehen also leicht Fehler.
- Die Überlagerung erschwert das Detektieren von solchen Störungen. Denn der Schwebezustand zwischen 0 und 1 lässt sich nicht beobachten, ohne dass er zerstört wird. Während des Rechnens muss die Superposition aber erhalten bleiben. Es fragt sich, wie die Fehler dennoch erkannt und bereinigt werden können. Genau hier setzen die Forscher der ETH an.
Vereinfacht gesagt besteht der Trick darin, nicht ein einzelnes Qubit zu überwachen, sondern mehrere Qubits gleichzeitig. Die ganze Gruppe heißt logisches Qubit, ihre Mitglieder sind die physikalischen Qubits. Die physikalischen Qubits sind untereinander vernetzt. In dieses Netz sind weitere Qubits eingewoben, die Hilfsqubits. Neun der 17 Qubits, die sich auf dem Chip befinden, sind in einem quadratischen Drei-mal-drei-Gitter angeordnet und bilden gemeinsam ein logisches Qubit – die Recheneinheit für einen Quantencomputer.
Die restlichen acht Qubits auf dem Chip sind versetzt dazu angebracht. Ihre Aufgabe ist es als Hilfsqubits, Fehler im System zu erkennen. Ein Hilfsqubit kann aber nicht identifizieren, welches seiner Nachbarn im Netz fehlerhaft ist. Die Signale von mehreren Hilfsqubits können den Fehler jedoch näher bestimmen. Die Steuerelektronik korrigiert daraufhin das Messsignal entsprechend. „Im Moment korrigieren wir die Fehler noch nicht direkt in den Qubits“, gibt Sebastian Krinner, Wissenschaftler in Wallraffs Gruppe und gemeinsam mit Nathan Lacroix Erstautor der Studie, zu bedenken. „Aber für die meisten Rechenoperationen ist das auch gar nicht notwendig.“ Die hochspezialisierte Elektronik, mit der die Qubits auf dem Chip angesteuert werden, wurde vom ETH-Spin-off Zurich Instruments hergestellt. Der Chip selbst befindet sich auf der untersten Ebene eines grossen Kryostaten – eines speziellen Kühlgerätes – und arbeitet bei einer Temperatur von gerade mal 0,01 Kelvin.
Fehlerkorrektur ist in der Quantenforschung sehr kompetitiv
Die Fehlerkorrektur ist derzeit ein stark umkämpftes Feld in der Quantenforschung. Neben technischen Hochschulen wie der ETH Zürich oder der TU Delft beteiligen sich auch große Konzerne wie Google oder IBM an diesem Wettbewerb. „Dass es uns gemeinsam mit unseren Kollegen aus Deutschland und Kanada gelungen ist, als erste Gruppe eine praktische Fehlerkorrektur mit Qubits zu realisieren, erfüllt uns mit Stolz“, sagt Wallraff.
In einem nächsten Schritt wollen die ETH-Forschenden einen Chip mit einem Fünf-mal-fünf-Qubit-Gitter bauen, das eine entsprechend aufwändigere Technik erfordert und auch mehr Qubits zur Fehlerkorrektur enthalten soll.
