Die neue Quantencomputerleistung ist eine moderne Variante eines 150 Jahre alten Gedankenexperiments

Ein Team von Quanteningenieuren an der UNSW Sydney hat eine Methode zum Zurücksetzen eines Quantencomputers – d. h. zum Präparieren eines Quantenbits im Zustand „0“ – mit sehr hoher Zuverlässigkeit entwickelt, wie es für zuverlässige Quantenberechnungen erforderlich ist. Die Methode ist überraschend einfach: Sie ist verwandt mit dem alten Konzept des „Maxwell-Dämons“, eines allwissenden Wesens, das ein Gas in heiß und kalt trennen kann, indem es die Geschwindigkeit der einzelnen Moleküle beobachtet.

„Hier haben wir einen viel moderneren ‚Dämon‘ – ein schnelles digitales Voltmeter – verwendet, um die Temperatur eines Elektrons zu beobachten, das willkürlich aus einem warmen Elektronenpool entnommen wurde. Dadurch haben wir es viel kälter gemacht als den Pool, aus dem es kam, und dies entspricht einer hohen Gewissheit, dass es sich im Berechnungszustand ‚0‘ befindet“, sagt Professor Andrea Morello von der UNSW, die das Team leitete.

„Quantencomputer sind nur dann nützlich, wenn sie das Endergebnis mit sehr geringer Fehlerwahrscheinlichkeit erreichen können. Und man kann nahezu perfekte Quantenoperationen haben, aber wenn die Berechnung mit dem falschen Code beginnt, wird das Endergebnis auch falsch sein. Unser Digital ‚Maxwell’s Demon‘ gibt uns eine 20-fache Verbesserung darin, wie genau wir den Beginn der Berechnung festlegen können.“

Die Studie wurde veröffentlicht in Körperliche Überprüfung Xeine von der American Physical Society herausgegebene Zeitschrift.

Ein Elektron beobachten, um es kälter zu machen

Das Team von Prof. Morello hat Pionierarbeit bei der Verwendung von Elektronenspins in Silizium geleistet, um Quanteninformationen zu kodieren und zu manipulieren, und demonstriert eine rekordverdächtige Wiedergabetreue – d. h. eine sehr geringe Fehlerwahrscheinlichkeit – bei der Durchführung von Quantenoperationen. Die letzte verbleibende Hürde für effiziente Quantenberechnungen mit Elektronen war die Genauigkeit, das Elektron in einem bekannten Zustand als Ausgangspunkt der Berechnung zu präparieren.

„Der normale Weg, um den Quantenzustand eines Elektrons vorzubereiten, besteht darin, extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erreichen und zu hoffen, dass sich alle Elektronen in den niederenergetischen ‚0‘-Zustand entspannen“, erklärt Dr. Mark Johnson, der Leiter experimenteller Autor auf dem Papier. „Leider hatten wir selbst mit den stärksten Kühlschränken immer noch eine 20-prozentige Chance, das Elektron versehentlich in den Zustand ‚1‘ zu bringen. Das war nicht akzeptabel, wir mussten es besser machen.“

Dr. Johnson, ein Absolvent der UNSW in Elektrotechnik, beschloss, ein sehr schnelles digitales Messinstrument zu verwenden, um den Zustand des Elektrons zu „beobachten“, und einen Echtzeit-Entscheidungsprozessor innerhalb des Instruments zu verwenden, um zu entscheiden, ob dieses Elektron behalten werden soll und Verwenden Sie es für weitere Berechnungen. Der Effekt dieses Prozesses war, die Fehlerwahrscheinlichkeit von 20 Prozent auf 1 Prozent zu reduzieren.

Eine neue Variante einer alten Idee

„Als wir anfingen, unsere Ergebnisse aufzuschreiben und darüber nachdachten, wie wir sie am besten erklären könnten, stellten wir fest, dass das, was wir getan hatten, eine moderne Variante der alten Idee des ‚Maxwell-Dämons‘ war“, sagt Prof. Morello.

Das Konzept des „Maxwell-Dämons“ geht auf das Jahr 1867 zurück, als James Clerk Maxwell sich eine Kreatur vorstellte, die die Fähigkeit hatte, die Geschwindigkeit jedes einzelnen Moleküls in einem Gas zu kennen. Er würde eine Kiste voller Gas nehmen, mit einer Trennwand in der Mitte und einer Tür, die sich schnell öffnen und schließen lässt. Mit seinem Wissen über die Geschwindigkeit jedes Moleküls kann der Dämon die Tür öffnen, damit sich die langsamen (kalten) Moleküle auf der einen Seite und die schnellen (heißen) auf der anderen Seite anhäufen.

„Der Dämon war ein Gedankenexperiment, um die Möglichkeit einer Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu diskutieren, aber natürlich hat ein solcher Dämon nie existiert“, sagt Prof. Morello.

„Jetzt haben wir mit schneller digitaler Elektronik in gewissem Sinne eines geschaffen. Wir haben ihn damit beauftragt, nur ein Elektron zu beobachten und sicherzustellen, dass es so kalt wie möglich ist. Hier bedeutet „kalt“ direkt, dass es drin ist den ‚0‘-Zustand des Quantencomputers, den wir bauen und betreiben wollen.“

Die Implikationen dieses Ergebnisses sind sehr wichtig für die Lebensfähigkeit von Quantencomputern. Eine solche Maschine kann mit der Fähigkeit gebaut werden, einige Fehler zu tolerieren, aber nur, wenn sie ausreichend selten sind. Die typische Schwelle für die Fehlertoleranz liegt bei etwa 1 Prozent. Dies gilt für alle Fehler, einschließlich Vorbereitung, Bedienung und Ablesen des Endergebnisses.

Diese elektronische Version eines „Maxwell-Dämons“ ermöglichte es dem UNSW-Team, die Präparationsfehler um das Zwanzigfache zu reduzieren, von 20 Prozent auf 1 Prozent.

„Allein durch die Verwendung eines modernen elektronischen Instruments, ohne zusätzliche Komplexität in der Quantenhardwareschicht, konnten wir unsere Elektronenquantenbits mit ausreichender Genauigkeit präparieren, um eine zuverlässige nachfolgende Berechnung zu ermöglichen“, sagt Dr. Johnson.

„Das ist ein wichtiges Ergebnis für die Zukunft des Quantencomputings. Und es ist ziemlich eigenartig, dass es auch die Verkörperung einer Idee von vor 150 Jahren darstellt!“