Der Quantencomputerchip, montiert auf einer Leiterplatte.

Foto: ETH Zürich/Quantum Device Lab

Für gewisse Anwendungen werden Quantencomputer vielleicht bald schon Lösungen berechnen können, an denen sich herkömmliche Computer gleichsam die Zähne ausbeißen. Obwohl in ihrer Leistungsfähigkeit in einigen Bereichen unübertroffen, reagieren Quantencomputer äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse, was dazu führen kann, dass sich immer wieder Fehler einschleichen. Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, nicht nur eine, sondern beide Fehlerarten, die in einem Quantencomputer auftreten können, aufzuspüren und zu beseitigen.

"Durchbruch"

Das Team um Andreas Wallraff, Physikprofessor und Direktor des Quantum Center der ETH Zürich, berichten von einem Reparaturmechanismus, mit dem sie zwei Fehlerarten, die in Quantensystemen unweigerlich auftreten, beheben können. "Der Nachweis, dass sich Fehler in einem mit Qubits arbeitenden Quantencomputer schnell und wiederholt korrigieren lassen, ist ein Durchbruch auf dem Weg zu einem praxistauglichen Quantencomputer", meint Wallraff.

Vergleichbar mit einem Lichtschalter kann ein Bit in einem herkömmlichen Computer die Zustände "0" und "1" annehmen. Bei einem Fehler werden Nullen und Einsen vertauscht. Dies kann auch bei Quanten-Bits passieren. Bizarrerweise können Qubits aber auch beide Zustände – "0" und "1" – gleichzeitig annehmen.

Phasenfehler bei Superposition

Durch dieses quantenphysikalische Phänomen namens Superposition können sich zusätzliche, sogenannte Phasen-Fehler einschleichen. Beide Fehlerarten müssen im Quantencomputer korrigiert werden, was dem ETH-Forschungsteam nun gemeinsam mit deutschen und kanadischen Kollegen gelungen ist.

Das ausgeklügelte Korrektursystem stellten sie in einer noch nicht von anderen Fachleuten begutachteten Studie auf dem Preprintserver ArXiv.org vor. Es beruht auf 17 supraleitenden, planar angeordneten Qubits in einem Chip. Diese arbeiten bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, bei minus 273,14 Grad. Neun der Qubits sind in einem Drei-mal-drei-Gitter zu einem logischen Qubit zusammengefasst, wo letztlich die Berechnungen stattfinden.

Für die meisten Fehler geeignet

Die restlichen Qubits dienen als Fehler-Detektoren, und die Steuerelektronik korrigiert die fehlerhaften Signale. Der Clou: Die Hilfsqubits erkennen Fehler, ohne dass der Zustand der logischen Qubits kollabiert. Dieses Verfahren zur Fehlererkennung und -behebung nennt sich Surface Code. Es sei die erfolgversprechendste Form der Fehlerkorrektur im Quantencomputer, da sie mit den meisten Fehlern umgehen könne, so Wallraff gegenüber der Nachrichtenagentur Keystone-SDA.

Er und sein Team möchten nun einen Chip mit einem Fünf-mal-fünf- Qubit-Gitter bauen. Dieses System erfordere eine aufwendigere Technik und solle zudem mehr Qubits zur Fehlerkorrektur enthalten. (APA, red, 12.12.2021)