Quantencomputer vor Ausfällen schützen

10.09.2020

Eine Forschungsgruppe der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich veröffentlicht Forschungsergebnisse zum Schutz von Quantencomputern vor dem Verlust von Qubits in Nature

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Die Träger von Quanteninformation, sogenannte Qubits, sind anfällig für Fehler, die durch unerwünschte Wechselwirkungen mit der Umwelt verursacht werden. Diese Fehler häufen sich während der Berechnung eines Quantencomputers. Ihre Korrektur ist für den zuverlässigen Einsatz von Quantencomputern eine Voraussetzung.

Zusätzlich können auch ganze Qubits aus dem Quantenregister verloren gehen. Je nach Quantencomputer kann das auf den Verlust von Teilchen wie Atomen oder Ionen zurückzuführen sein oder darauf, dass Quantenteilchen in unerwünschte elektronische Zustände übergehen und nicht mehr als Qubits erkannt werden. Die Information in den verbleibenden Qubits wird dann beschädigt und ist ungeschützt, was zu gravierenden Fehlern im Ergebnis der Berechnung führen kann.

Die Forschungsgruppe für Theoretische Quantentechnologie von Professor Markus Müller vom Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen und dem Peter Grünberg Institut am Forschungszentrum Jülich hat nun in Zusammenarbeit mit den Universitäten Innsbruck und Bologna Methoden entwickelt, die es einem Ionenfallen-Quantencomputer erlauben, sich in Echtzeit an den Verlust von Qubits anzupassen und den Schutz der fragilen Quanteninformation aufrechtzuerhalten. Professor Müller betont, dass „die Kombination von Quantenfehlerkorrektur und der Korrektur von Qubit-Verlusten ein notwendiger nächster Schritt in Richtung großer und robuster Quantencomputer ist“. Die Ergebnisse wurden nun unter dem Titel „Experimental deterministic correction of qubit loss“ in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Die Forschenden entwickelten zwei Schlüsseltechniken, um ihren Quantencomputer vor dem Verlust von Qubits zu schützen. Die erste Herausforderung bestand darin, den Verlust zu erkennen. Da eine direkte Messung des Qubits die darin gespeicherte Information beschädigen würde, entwickelten die Forschenden eine Technik, bei der mit einem zusätzlichen Ion geprüft wird, ob das fragliche Qubit noch vorhanden ist oder nicht – ohne es dabei zu stören.

Im Falle eines Qubit-Verlusts den Rest der Berechnung in Echtzeit anzupassen, stellte die zweite Herausforderung dar. Diese Anpassung sei entscheidend, um die Quanteninformation anschließend noch zu entschlüsseln und die verbleibenden Qubits zu schützen, so Müller.

Publikation: Experimental deterministic correction of qubit loss. Roman Stricker, Davide Vodola, Alexander Erhard, Lukas Postler, Michael Meth, Martin Ringbauer, Philipp Schindler, Thomas Monz, Markus Müller, Rainer Blatt. Nature 2020