Forscher entwickeln „rauschunterdrückende“ Qubits, um Fehler in Quantencomputern zu minimieren

Trotz ihres immensen Versprechens, neuartige Probleme zu lösen, sind heutige Quantencomputer von Natur aus fehleranfällig. Eine kleine Störung in ihrer Umgebung – zum Beispiel eine Änderung der Temperatur, des Drucks oder des Magnetfelds – kann ihre fragilen Rechenbausteine, sogenannte Qubits, zerstören.

Jetzt haben Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der Universität Chicago eine neue Methode entwickelt, um das Rauschen um ein Quantensystem ständig zu überwachen und die Qubits in Echtzeit anzupassen, um Fehler zu minimieren.

Der Ansatz, beschrieben in Wissenschaft, basiert auf Zuschauer-Qubits: einer Reihe von Qubits, die in den Computer eingebettet sind, mit dem alleinigen Zweck, Außengeräusche zu messen und nicht Daten zu speichern. Die von solchen Zuschauer-Qubits gesammelten Informationen können dann verwendet werden, um Rauschen in lebenswichtigen Datenverarbeitungs-Qubits zu unterdrücken.

Asst. Prof. Hannes Bernien, der die Forschung leitete, vergleicht das neue System mit geräuschunterdrückenden Kopfhörern, die Umgebungsgeräusche kontinuierlich überwachen und entgegengesetzte Frequenzen aussenden, um sie zu unterdrücken.

„Mit diesem Ansatz können wir die Qualität der Daten-Qubits sehr deutlich verbessern“, sagte Bernien. „Ich halte das im Zusammenhang mit Quantencomputing und Quantensimulation für sehr wichtig.“

Eine gewaltige Herausforderung

Mit der Skalierung bestehender Quantencomputer ist die Herausforderung von Rauschen und Fehlern gewachsen. Das Problem ist zweierlei: Qubits verändern sich leicht als Reaktion auf ihre Umgebung, was die in ihnen gespeicherten Informationen verändern und zu hohen Fehlerraten führen kann. Wenn ein Wissenschaftler außerdem ein Qubit misst, um das Rauschen abzuschätzen, dem es ausgesetzt war, bricht der Zustand des Qubits zusammen und seine Daten gehen verloren.

„Es ist eine sehr entmutigende und schwierige Aufgabe, die Fehler innerhalb eines Quantensystems zu korrigieren“, sagte Bernien.

Theoretische Physiker hatten zuvor eine Lösung mit Zuschauer-Qubits vorgeschlagen, einem Satz von Qubits, die keine notwendigen Daten speichern, aber in einen Quantencomputer eingebettet werden könnten. Die Zuschauer-Qubits würden Veränderungen in der Umgebung verfolgen und dabei wie das Mikrofon in geräuschunterdrückenden Kopfhörern wirken. Ein Mikrofon erkennt natürlich nur Schallwellen, während die vorgeschlagenen Zuschauer-Qubits auf alle Umgebungsstörungen reagieren würden, die die Qubits verändern könnten.

Zwei Arten von Qubits zur Geräuschunterdrückung

Berniens Gruppe wollte zeigen, dass dieses theoretische Konzept verwendet werden könnte, um Rauschen in einem Quantenarray aus neutralen Atomen – ihrem bevorzugten Quantencomputer – zu unterdrücken.

In einem Quantenprozessor für neutrale Atome werden Atome mithilfe von Laserstrahlen, sogenannten optischen Pinzetten, an Ort und Stelle gehalten. Bernien war an deren Entwicklung beteiligt und brachte ihm Auszeichnungen wie den New Horizons in Physics Prize 2023 der Breakthrough Prize Foundation ein. In großen Anordnungen dieser schwebenden Atome fungiert jedes als Qubit, das in seinem Überlagerungszustand Informationen speichern und verarbeiten kann.

Im Jahr 2022 berichteten Bernien und Kollegen erstmals über die Möglichkeit, einen hybriden atomaren Quantenprozessor herzustellen, der sowohl Rubidium- als auch Cäsiumatome enthält. Jetzt haben sie diesen Prozessor so angepasst, dass die Rubidiumatome als Daten-Qubits fungieren, während die Cäsiumatome als Zuschauer-Qubits fungieren. Das Team entwarf ein System, um kontinuierlich Echtzeitdaten von den Rubidiumatomen auszulesen und als Reaktion darauf die Cäsiumatome mit Mikrowellenschwingungen zu optimieren.

Die Herausforderung, sagte Bernien, bestehe darin, sicherzustellen, dass das System schnell genug sei – alle Anpassungen an den Rubidiumatomen müssten nahezu augenblicklich erfolgen.

„Das wirklich Spannende daran ist, dass es nicht nur das Rauschen der Daten-Qubits minimiert, sondern auch ein Beispiel für die tatsächliche Interaktion mit einem Quantensystem in Echtzeit ist“, sagte Bernien.

Grundsatzbeweis

Um ihren Ansatz zur Fehlerminimierung zu testen, setzte Berniens Gruppe das Quantenarray magnetischem Feldrauschen aus. Sie zeigten, dass die Cäsiumatome dieses Rauschen korrekt auffanden und ihr System es dann in Echtzeit in den Rubidiumatomen auslöschte.

Die Forschungsgruppe sagt jedoch, dass der erste Prototyp nur ein Ausgangspunkt sei. Sie möchten versuchen, den Lärmpegel zu erhöhen, die Arten der Störungen zu variieren und zu testen, ob der Ansatz Bestand hat.

„Wir haben spannende Ideen, wie wir die Empfindlichkeit dieses Systems um einen großen Faktor verbessern können, aber es wird noch mehr Arbeit erfordern, um es umzusetzen“, sagte Bernien. „Das war ein toller Ausgangspunkt.“

Schließlich stellt sich Bernien vor, dass ein System von Zuschauer-Qubits ständig im Hintergrund jedes Quantencomputers mit neutralen Atomen und auch Quantencomputern anderer Architekturen laufen könnte, wodurch der Fehler minimiert wird, wenn der Computer Daten speichert und Berechnungen durchführt.