Meilenstein für Quantencomputer: Magische Zustände für fehlerfreies Rechnen

Quantencomputer versprechen bei einigen Aufgaben eine beispiellos höhere Leistung und Geschwindigkeit als herkömmliche Rechner. Doch bisher sind dies nichts als Versprechen. Ein notwendiges Puzzleteil hat nun ein Forschungsteam des US-amerikanischen Unternehmens QuEra Computing, des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University demonstriert. Sie haben sogenannte magische Zustände innerhalb der logischen Recheneinheiten eines Quantencomputers erzeugt. Dies ist ein essenzieller Schritt auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantenrechnern. Die Forschungsergebnisse erschienen in einer Vorabversion im Fachmagazin Nature.

Quantencomputer nutzen sogenannte Qubits, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Qubits können die Fähigkeiten von herkömmlichen Bits erweitern, sind jedoch sehr fehleranfällig. Selbst geringe Fehler können die Ausführung komplexer Algorithmen verhindern. Die Quantenfehlerkorrektur gilt aktuell als der vielversprechendste Ansatz, dieses Problem zu lösen. Dafür kombinieren Forschende mehrere sogenannte physikalische Qubits, die Fehler erkennen und korrigieren. Gemeinsam bilden sie ein logisches Qubit mit einer geringeren Fehlerrate.

Es gibt verschiedene Ansätze zur Fehlerkorrektur. Viele sind jedoch nur mit einer eingeschränkten Menge logischer Operationen kompatibel, den sogenannten Clifford-Gattern. Clifford-Gatter allein reichen jedoch nicht aus, um beliebige Quantenrechnungen auszuführen.

Magische Quantenzustände

Magische Zustände sollen beliebige Quantenoperationen und Fehlerkorrektur vereinen. Sie funktionieren ähnlich wie ein Zaubertrick: In der Vorbereitungsphase versteckt der Magier das Kaninchen im Hut und holt es später, während der Show, zum richtigen Zeitpunkt hervor. Magische Zustände werden vor der eigentlichen Quantenrechnung präpariert; sie tragen die notwendigen Eigenschaften von Nicht-Clifford-Gattern (den „Kaninchen“) in sich. Die eigentlichen Quantenoperationen bestehen dann aus den effizienter zu implementierenden Clifford-Gattern.

Magische Zustände zu erzeugen, ist jedoch selbst fehleranfällig. Die Lösung liefert eine Methode namens Destillation. Ähnlich wie Flüssigkeiten destilliert werden, um eine höhere Konzentration einer gewünschten Substanz zu erhalten – zum Beispiel Alkohol –, werden bei der Destillation von magischen Zuständen viele verrauschte Quantenzustände kombiniert, um einen reineren Zustand zu erzeugen.

Dem US-amerikanischen Forschungsteam ist es nun gelungen, magische Zustände innerhalb von fehlerkorrigierten logischen Qubits zu destillieren. Dies bedeutet, dass die Zustände direkt einsatzbereit sind für komplexe Berechnungen und Algorithmen.

Demonstration auf Gemini

Die Forschenden demonstrierten ihre Technik auf QuEras Quantencomputer Gemini, der Qubits auf Basis neutraler Atome nutzt. Sie kombinierten jeweils fünf fehlerbehaftete magische Zustände zu einem reineren magischen Zustand. Die Qualität der magischen Zustände überragt dabei die Qualität der einzelnen Ausgangszustände.

Das Team demonstrierte damit, dass seine Technik im realen Experiment funktioniert. „Skalierbare Fehlertoleranz ist die Kernherausforderung der Quanteninformationswissenschaft“, sagte etwa Takuya Kitagawa, Präsident von QuEra. „Mit dieser Demonstration bestätigen wir die technologische Reife unserer Architektur und unseren Weg zu anwendungsreifen, fehlertoleranten Systemen.“

(spa)