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Bauplan für fehlertolerante Qubits

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen haben eine von Natur aus störungsfreie Schaltung für Quantencomputer entworfen

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Energiespektrum in Form eines Hoftstadter Schmetterlings. Copyright: M. Rymarz et al., Phys Rev X (2021), https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.011032 (CC BY 4.0)
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Die Störanfälligkeit von Quantenbits, kurz Qubits, gilt als eine der Haupthürden beim Bau eines universellen Quantencomputers. Um das Problem in den Griff zu bekommen, wurden verschiedene Arten der Fehlerkorrektur entwickelt. Allen herkömmlichen Methoden ist dabei gemeinsam, dass es sich um aktive Korrekturverfahren handelt. Im Gegensatz dazu haben Forscher um Prof. David DiVincenzo vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen zusammen mit Partnern von der Universität Basel und dem QuTech Delft nun einen Entwurf für einen Schaltkreis mit passiver Fehlerkorrektur vorgestellt. Eine solche Schaltung wäre schon von Natur aus gegen Störungen geschützt und könnte den Bau eines Quantencomputers mit einer großen Zahl von Qubits erheblich vereinfachen.

Um die Quanteninformation zuverlässig kodieren zu können, werden üblicherweise mehrere instabile Qubits zu einem sogenannten logischen Qubit kombiniert. Durch Quantenfehlerkorrektur-Codes, kurz QEC-Codes (quantum error correction), wird es damit möglich, Fehler einzelner Qubits zu erkennen und anschließend zu beheben, sodass die Quanteninformation über längere Zeit erhalten bleibt.

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Die Verfahren funktionieren im Prinzip ähnlich wie die aktive Geräuschunterdrückung bei Kopfhörern: In einem ersten Schritt wird eine eventuelle Störung erkannt. Im Anschluss daran wird eine korrigierende Operation ausgeführt, um die Störung zu beseitigen und die Information in ihrer ursprünglichen reinen Form wieder herzustellen.

Die Anwendung einer solchen aktiven Fehlerkorrektur in einem Quantencomputer ist jedoch sehr aufwändig. Typischerweise wird für jedes Qubit eine komplizierte Elektronik zur Fehlerkorrektur benötigt, was den Aufbau von Schaltungen mit vielen Qubits, wie sie für den Bau eines Quantencomputers erforderlich sind, erschwert.

Der neue Entwurf für einen supraleitenden Schaltkreis besitzt dagegen eine Art eingebaute Fehlerkorrektur. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie schon von sich aus gegen Störungen aus der Umgebung geschützt und dennoch kontrollierbar ist. Das Konzept umgeht damit die Notwendigkeit einer aktiven Stabilisierung auf eine hochgradig Hardware-effiziente Weise und wäre daher ein vielversprechender Kandidat für einen zukünftigen Quantenprozessor, der über eine große Zahl von Qubits verfügt.

„Durch die Implementierung eines Gyrators – ein elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, das Strom an einem Anschluss mit Spannung am anderen koppelt – zwischen zwei supraleitenden Bauteilen (sogenannte Josephson-Kontakte), könnten wir auf eine aktive Fehlererkennung und Stabilisierung verzichten: Wenn das Qubit gekühlt wird, ist es inhärent gegen gängige Arten von Rauschen geschützt“, erklärt Martin Rymarz, Doktorand in der Gruppe von David DiVincenzo und Erstautor der Arbeit, die am 17. Februar in Physical Review X veröffentlicht wurde.

„Ich hoffe, dass unsere Überlegungen die Arbeiten im Labor inspirieren werden; mir ist bewusst, dass dieser, wie viele unserer Vorschläge, ein wenig seiner Zeit voraus sein mag“, sagt David DiVincenzo, Direktor am Peter Grünberg-Institut des Forschungszentrums Jülich und Professor des JARA-Instituts für Quanteninformation an der RWTH Aachen. „Dennoch sehen wir angesichts der vorhandenen Expertise die Möglichkeit, unseren Vorschlag in absehbarer Zeit im Labor zu testen“. Prof. David DiVincenzo gilt als Pionier in der Entwicklung von Quantencomputern. Mit seinem Namen sind unter anderem die Kriterien verbunden, die ein Quantencomputer erfüllen muss, die so genannten „DiVincenzo Kriterien“.


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