In modernen Computern sind Fehler bei der Verarbeitung und Speicherung von Informationen aufgrund hochwertiger Fertigung zur Seltenheit geworden. Für kritische Anwendungen, bei denen bereits einzelne Fehler schwerwiegende Auswirkungen haben können, werden jedoch weiterhin Fehlerkorrekturmechanismen verwendet, die auf einer Redundanz der verarbeiteten Daten basieren.
Quantencomputer sind von Natur aus viel anfälliger für Störungen und werden daher wahrscheinlich immer Fehlerkorrekturmechanismen benötigen, da sich sonst Fehler unkontrolliert im System ausbreiten und Informationen verloren gehen. Da die Grundgesetze der Quantenmechanik das Kopieren von Quanteninformationen verbieten, kann Redundanz erreicht werden, indem logische Quanteninformationen in einen verschränkten Zustand mehrerer physikalischer Systeme, beispielsweise mehrerer einzelner Atome, verteilt werden.
Dem Team um Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und Markus Müller von der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich ist es nun erstmals gelungen, eine Reihe von Rechenoperationen auf zwei logischen Quantenbits zu realisieren, die das können verwendet werden, um jede mögliche Operation zu implementieren. „Für einen realen Quantencomputer brauchen wir einen universellen Satz von Gattern, mit denen wir alle Algorithmen programmieren können“, erklärt Lukas Postler, Experimentalphysiker aus Innsbruck.
Grundlegende Quantenoperation realisiert
Das Forscherteam implementierte dieses universelle Gate-Set auf einem Ionenfallen-Quantencomputer mit 16 gefangenen Atomen. Die Quanteninformation wurde in zwei logischen Quantenbits gespeichert, die jeweils auf sieben Atome verteilt waren.
Auf diesen fehlertoleranten Quantenbits, die für einen universellen Gattersatz notwendig sind, ist es nun erstmals gelungen, zwei Rechengatter zu implementieren: eine Rechenoperation auf zwei Quantenbits (ein CNOT-Gatter) und ein logisches T Gate, das auf fehlertoleranten Quantenbits besonders schwierig zu implementieren ist.
„T-Gatter sind sehr grundlegende Operationen“, erklärt der theoretische Physiker Markus Müller. „Sie sind besonders interessant, weil sich Quantenalgorithmen ohne T-Gatter relativ einfach auf klassischen Computern simulieren lassen, wodurch eine mögliche Beschleunigung zunichte gemacht wird. Für Algorithmen mit T-Gattern ist dies nicht mehr möglich.“ Die Physiker demonstrierten das T-Gatter, indem sie einen speziellen Zustand in einem logischen Quantenbit präparierten und ihn über eine verschränkte Gate-Operation zu einem anderen Quantenbit teleportierten.
Die Komplexität steigt, aber auch die Genauigkeit
In verschlüsselten logischen Quantenbits ist die gespeicherte Quanteninformation vor Fehlern geschützt. Aber ohne Rechenoperationen ist dies nutzlos und diese Operationen sind selbst fehleranfällig.
Die Forscher haben Operationen auf den logischen Qubits so implementiert, dass auch Fehler, die durch die zugrunde liegenden physikalischen Operationen verursacht werden, erkannt und korrigiert werden können. Somit haben sie die erste fehlertolerante Implementierung eines universellen Satzes von Gattern auf codierten logischen Quantenbits implementiert.
„Die fehlertolerante Implementierung erfordert mehr Operationen als nicht fehlertolerante Operationen. Dadurch werden mehr Fehler in der Größenordnung einzelner Atome eingeführt, aber dennoch sind die experimentellen Operationen an den logischen Qubits besser als nicht fehlertolerante logische Operationen.“ Thomas Monz freut sich zu berichten. „Aufwand und Komplexität steigen, aber die resultierende Qualität ist besser.“ Die Forscher überprüften und bestätigten ihre experimentellen Ergebnisse auch mit numerischen Simulationen auf klassischen Computern.
Die Physiker haben nun alle Bausteine für fehlertolerantes Rechnen auf einem Quantencomputer demonstriert. Nun geht es darum, diese Methoden auf größeren und damit nützlicheren Quantencomputern zu implementieren. Die in Innsbruck an einem Ionenfallen-Quantencomputer demonstrierten Methoden lassen sich auch auf andere Architekturen für Quantencomputer anwenden.
Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.
Philipp Schindler et al, Demonstration fehlertoleranter universeller Quantengatteroperationen, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04721-1. www.nature.com/articles/s41586-022-04721-1