Quantencomputer: Physiker rücken Rechenfehlern zu Leibe

Dank hochwertiger Komponenten und technischer Fortschritte sind Rechenfehler bei herkömmlichen Computern inzwischen eine Seltenheit. Bei sensiblen Anwendungen kommen zwar weiterhin Mechanismen zur Fehlerkontrolle zum Einsatz, aber insgesamt werden diese immer weniger notwendig. Anders sieht das bei Quantencomputern aus. Diese sind weitaus anfälliger für Störungen und damit auch für Rechenfehler. Physikern in deutsch-österreichischer Kooperation gelang es nun, ein universelles Set von Rechenoperationen auf fehlertoleranten Quantenbits umzusetzen.

Quantencomputer-Chip, auf einer Leiterplatte montiert.
Bild: ETH Zürich / Quantum Device Lab

Quantenrechner sind fehleranfällig

Bei kritischen Anwendungen reichen oft schon vereinzelt auftretende Fehler, um schwerwiegende Folgen nach sich zu ziehen. Deshalb setzt man für sie auch bei herkömmlichen Rechnern auf Fehlerkorrektursysteme, die in der Regel mit Redundanz arbeiten. Sie führen also die gleiche Operation wiederholt durch und gleichen die Ergebnisse miteinander ab.

Bei Quantencomputern kann diese Methode jedoch nicht eingesetzt werden, da die Quantenphysik es nicht erlaubt, Quanteninformationen zu kopieren. Auf die herkömmliche Art und Weise Redundanz zu erzeugen ist daher nicht möglich. Das führt zu einem Problem. Denn ohne eine effiziente Fehlerkorrektur sind Quantencomputer nur sehr bedingt für den praktischen Einsatz geeignet, da Fehler sich unkontrolliert im System ausbreiten würden und zudem aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Quantenrechner wahrscheinlich auch relativ oft auftreten würden.

Fehlerkorrektur in Quantencomputern

Einem Team rund um Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und Markus Müller von der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich gelang es nun, die für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern notwendige Redundanz auf anderem Wege zu erreichen. Dafür verteilten die Forscher ein logisches Quantenbit auf einen verschränkten Zustand mehrere physikalischer Systeme wie etwa einzelner Atome. „Für einen praxistauglichen Quantencomputer benötigen wir einen universellen Gattersatz, mit dem wir alle Algorithmen programmieren können„, erklärt Lukas Postler, der an dem Projekt beteiligt ist. So gelang es den Forschern, ein Set von Rechenoperationen auf zwei logischen Quantenbits zu verwirklichen.

Die Arbeit des Teams wird dabei unter anderem im Rahmen der Quanten-Flagship-Initiative unterstützt. Umgesetzt wurden die Erkenntnisse der Forscher dann auf dem in Innsbruck zur Verfügung stehenden Ionenfallen-Quantencomputer mit 16 gefangenen Atomen. Dabei wurden die Quanteninformationen in zwei logischen Quantenbits gespeichert, die auf jeweils sieben Atome verteilt waren. Diese fehlertoleranten Quantenbits ermöglichten den Forschern dann, zwei Rechengatter zu realisieren, die für einen universellen Gattersatz notwendig sind. Dabei handelt es sich um eine Rechenoperation auf zwei Quantenbits (ein sogenanntes CNOT-Gatter) sowie ein logisches T-Gatter.

„T-Gatter sind sehr fundamentale Operationen. Sie sind besonders interessant, weil Quantenalgorithmen ohne T-Gatter auf klassischen Computern relativ einfach simuliert werden können. Bei Algorithmen mit T-Gatter ist das nicht mehr möglich.„, so Müller. Es gelang den Forschern, das T-Gatter zu demonstrieren, indem sie einen speziellen Zustand in ein logisches Quantenbit implementierten und diesen dann mit Hilfe einer verschränkten Gatteroperation auf ein weiteres Quantenbit teleportierten.

Implementierung auf größeren Quantenrechnern

In den logischen Quantenbits ist die gespeicherte Information dann erst einmal vor Fehlern geschützt. Ohne Rechenoperationen ist sie allerdings nutzlos, und diese Rechenoperationen wiederum sind sehr fehleranfällig. Den Physikern gelang es, die Operationen so auf den Quantenbits zu implementieren, dass Fehler erkannt und korrigiert werden können. Sie ermöglichten so die erste fehlertolerante Implementierung eines universellen Gattersatzes auf logischen Quantenbits.

„Aufwand und Komplexität steigen, aber das Ergebnis ist besser„, so Monz über die Arbeit seines Teams. Die Forscher haben die experimentellen Ergebnisse mithilfe von numerischen Simulationen auf klassischen Computern überprüft. Nun wollen sie ihre Methoden auf größeren Quantenrechnern umsetzen, die besser für den praktischen Einsatz geeignet sind als der verhältnismäßig kleine Innsbrucker Ionenfallen-Quantencomputer.

via Forschungszentrum Jülich