Sie eröffnen neue Möglichkeiten, hochkomplexe Vorgänge zu berechnen, etwa in der Chemie oder bei der Optimierung komplizierter Abläufe, die mit klassischen Computern kaum oder gar nicht zu bewältigen sind. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass ihre Recheneinheiten, die Qubits, zuverlässig vor Fehlern geschützt und kontrolliert miteinander verbunden werden. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich haben gemeinsam mit Forschenden der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) demonstriert, wie sich mit der sogenannten Lattice-Surgery-Methode aus einem logischen Qubit zwei logisch verschränkte Qubits erzeugen lassen, die miteinander wechselwirken. Dies sei ein wichtiger Schritt hin zu funktionsfähigen Quantencomputern, so das Forschungszentrum. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Die Recheneinheiten eines Quantencomputers reagieren sehr empfindlich auf äußere Störungen. Temperaturschwankungen, Magnetfelder oder kosmische Strahlung können die Qubits beeinflussen und ihren quantenmechanischen Zustand zerstören. Das macht die physikalische Umsetzung besonders anspruchsvoll. Qubits lassen sich auf unterschiedliche Weise realisieren, etwa durch Lichtteilchen, gefangene Ionen oder, wie in der vorliegenden Studie, durch supraleitende Schaltkreise. Allen Systemen ist gemeinsam, dass sie gegen äußere Einflüsse abgeschirmt und durch spezielle Verfahren stabilisiert werden müssen. Denn im Gegensatz zu klassischen Computern lassen sich Fehler in Quantencomputern nicht einfach durch Wiederholungen oder direkte Messungen beheben.
Die Lösung liegt in der sogenannten Quantenfehlerkorrektur. Dabei werden viele physikalische Qubits zu einem stabilen logischen Qubit zusammengefasst. Um diese schließlich zusammenzufassen, bedienen sich die Forscher der sogenannten Lattice Surgery. Dabei werden einzelne Qubits in einem Lattice genannten Gitter zusammengefügt oder auch wieder getrennt – im übertragenen Sinne also operiert.
Die Jülicher Wissenschaftler Lukas Bödeker und Dr. Luis Colmenarez unterstützten das Team von Professor Andreas Wallraff von der ETH Zürich bei der experimentellen Arbeit. Sie führten Vorabsimulationen durch und halfen bei der Planung der logischen Protokolle. „Für diese wegweisende experimentelle Arbeit haben wir theoretisch analysiert, wie sich der Zustand eines logischen Qubits zuverlässig und fehlerresistent von einem Ort zum anderen übertragen lässt”, erklären die beiden Wissenschaftler.
Die aktuelle Studie leistet einen wichtigen Beitrag zur Realisierung skalierbarer Quantencomputer. Lattice Surgery gilt als vielversprechender Baustein für den modularen Aufbau großer Quantenprozessoren. In diesen können logische Qubits zuverlässig miteinander kommunizieren, ohne die Stabilität des Gesamtsystems zu beeinträchtigen.
Ein zentraler Gegenstand aktueller Forschung ist die effiziente und fehlertolerante Erzeugung sogenannter „magischer Zustände“. Diese speziell vorbereiteten Qubit-Zustände ermöglichen komplexe Rechenoperationen, die mit herkömmlichen Mitteln nicht realisierbar sind. Erst durch die Einbindung dieser Zustände in fortgeschrittene Quantenalgorithmen lässt sich ein Rechenvorteil gegenüber klassischen Computern erzielen.
Zum vollständigen Beitrag auf der Seite des Forschungszentrums.
