Fehlerfreies Quantencomputing wird Realität

Künstlerische Darstellung von Gatteroperationen an logischen Quantenbits, die durch Quantenfehlerkorrektur vor Defekten geschützt sind. Bildnachweis: Johannes Knunes

Die Grundbausteine ​​des fehlertoleranten Quantencomputings werden erklärt

Aufgrund der hochwertigen Verarbeitung sind Fehler bei der Informationsverarbeitung und -speicherung in modernen Computern selten. Für kritische Anwendungen, bei denen einzelne Fehler gravierende Auswirkungen haben können, werden jedoch weiterhin auf Redundanz basierende Fehlerkorrekturmechanismen in den verarbeiteten Daten verwendet.

Quantencomputer sind von Natur aus anfälliger für Störungen, daher werden immer fehlerkorrigierende Mechanismen benötigt. Andernfalls breiten sich Fehler unkontrolliert im System aus und Informationen gehen verloren. Da die Grundgesetze der Quantenmechanik das Kopieren von Quanteninformationen verhindern, kann Redundanz erreicht werden, indem logische Quanteninformationen in einem verschränkten Zustand auf viele physikalische Systeme, beispielsweise mehrere einzelne Atome, verteilt werden.

Dem Forschungsteam unter der Leitung von Thomas Munns vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und Markus Müller von der RWTH Aachen und dem Fürschungcentrum Jülich in Deutschland ist es erstmals gelungen, eine Reihe von Berechnungen auf zwei Quantenlogiken durchzuführen. Bits, die verwendet werden können, um jede mögliche Operation auszuführen. „Für einen echten Quantencomputer brauchen wir einen globalen Satz von Gattern, mit denen wir alle Algorithmen programmieren können“, erklärt Lukas Büstler, Experimentalphysiker aus Innsbruck.

Grundlegender quantitativer Prozess realisiert

Das Forscherteam wendete dieses globale Gateway an, das auf einem Ionenfallen-Quantencomputer mit 16 gefangenen Atomen aufgebaut war. Quanteninformationen wurden in zwei logischen Quanten-Qubits gespeichert, die jeweils über sieben Atome verteilt waren.

Auf diesen fehlertoleranten Quantenbits, die für einen globalen Satz von Gattern notwendig sind, ist es nun erstmals möglich, zwei arithmetische Gatter zu implementieren: eine Arithmetik auf zwei Quantenbits (das CNOT-Gatter) und ein T-Boolean. Gate, das auf fehlertoleranten Quantenbits besonders schwierig zu implementieren ist.

Die grundlegenden Bausteine ​​des fehlertoleranten Quantencomputings

Die grundlegenden Bausteine ​​des fehlertoleranten Quantencomputings werden gezeigt. Bildnachweis: Yoni Innsbruck / Harald Rich

„T-Gates sind sehr einfache Operationen“, erklärt der theoretische Physiker Marcus Müller. „Das ist besonders interessant, weil sich Quantenalgorithmen ohne T-Gatter relativ einfach auf klassischen Computern simulieren lassen, ohne dass eine mögliche Beschleunigung entsteht – für Algorithmen mit T-Gattern ist das nicht mehr möglich.“ Physiker demonstrierten das T-Gate, indem sie einen speziellen Zustand in einem logischen Quantenbit präparierten und ihn über einen verschränkten Gate-Prozess aus der Ferne auf ein anderes Quantenbit übertragen.

Die Komplexität steigt, aber auch die Präzision

In verschlüsselten logischen Quantenbits ist die gespeicherte Quanteninformation vor Fehlern geschützt. Aber ohne die arithmetischen Operationen ist dies nutzlos und diese Operationen sind selbst fehleranfällig.

Forscher haben Operationen auf logischen Qubits so implementiert, dass auch Fehler, die aus grundlegenden physikalischen Operationen resultieren, erkannt und korrigiert werden können. Somit wandten sie die erste fehlertolerante Anwendung eines universellen Satzes von Gattern auf codierte boolesche Quantenbits an.

“Eine fehlertolerante Implementierung erfordert mehr Operationen als eine nicht fehlertolerante. Dies führt zu mehr Fehlern auf der Ebene einzelner Atome, aber dennoch sind experimentelle Operationen an logischen Qubits besser als nicht fehlertolerante logische”, Thomas Mons freut sich zu berichten. „Der Aufwand und die Komplexität nehmen zu, aber die resultierende Qualität ist besser.“ Die Forscher überprüften und bestätigten ihre experimentellen Ergebnisse auch mit numerischen Simulationen auf klassischen Computern.

Physiker haben nun alle Bausteine ​​des fehlertoleranten Rechnens auf einem Quantencomputer demonstriert. Die Aufgabe besteht nun darin, diese Methoden auf größeren und damit nützlicheren Quantencomputern zu implementieren. Die in Innsbruck beschriebenen Methoden können auf einem Ionenfallen-Quantencomputer auch in anderen Quantencomputer-Architekturen eingesetzt werden.

Referenz: „Illustration of universal fault-tolerant quant gate operations“ von Lukas Buchler, Sasha Heuen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispeler, Thomas Feldker, Michael Meath, Christian D. Marciniak, Roman Stryker, Martin Ringbauer, Rainer Platt, Philip Schindler, Markus Muller und Thomas Mons, 25. Mai 2022, hier verfügbar. Natur temperieren.
DOI: 10.1038 / s41586-022-04721-1

Finanzielle Unterstützung für die Forschung wurde unter anderem von der Europäischen Union im Rahmen der Quantum Flagship Initiative sowie von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG, dem Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Industriellenvereinigung Tirol bereitgestellt.

Leave a Comment