Aus dem Forschungslabor Folge 52
Korrekturfähig
Veröffentlicht in Ausgabe 04/2023 - RUBRIKEN
Qubit-Fehler sind wegen der kaum zu vermeidenden Wechselwirkung mit der Umgebung und dem Quantenrauschen eine große Herausforderung. Fehlerkorrektur ist deshalb wichtig, um die Genauigkeit von Quantenberechnungen zu verbessern. Eine verlässliche Methode zur Fehlerbehebung in der Praxis zu realisieren, wird daher als ein Meilenstein auf dem Weg zu einem funktionierenden Quantencomputer angesehen.
Größer wohl doch besser
Bei der nun in der Fachzeitschrift Nature vorgestellten Methode zur Fehlerkorrektur [1] konnten die Forscher von Google Quantum AI jetzt in Tests zeigen, dass die Fehlerraten bei einem größeren System niedriger waren als bei einem kleineren System. Das ist nicht selbstverständlich, da größere Systeme mit mehr Qubits auch mehr Potenzial für Fehler beinhalten. So könnte sich theoretisch die Performance der Fehlerausbesserung mit zunehmender Anzahl an Qubits verbessern. Wie weit diese Skalierung möglich ist, ist allerdings noch unklar. Es gibt Szenarien, in denen ein größeres System erst weniger Fehler erzeugt – ab einer gewissen Größe aber ein Punkt überschritten wird, ab dem die Anzahl der Fehler wieder zunimmt.
Die Forscher von Google Quantum AI haben einen Fehlerkorrekturcode namens Surface Code angewendet, der auf Wiederholung und Mehrheitsentscheidung basiert. Mit diesem Code ließ sich die Fehlerrate eines Qubits um das 100-fache reduzieren. Die Forscher demonstrierten dabei auch, wie sie den Code auf mehrere Qubits skalieren können, um größere und komplexere Quantencomputer zu ermöglichen. Den Autoren zufolge ist noch weitere Forschung nötig, um Fehlerraten zu erreichen, die gering genug für effektive Berechnungen mit Quantencomputern sind. Die in der Studie vorgestellten Fortschritte stellen aber nach Meinung führender Experten einen entscheidenden Schritt für künftige Entwicklungen dar.
Qubit-Fehler sind wegen der kaum zu vermeidenden Wechselwirkung mit der Umgebung und dem Quantenrauschen eine große Herausforderung. Fehlerkorrektur ist deshalb wichtig, um die Genauigkeit von Quantenberechnungen zu verbessern. Eine verlässliche Methode zur Fehlerbehebung in der Praxis zu realisieren, wird daher als ein Meilenstein auf dem Weg zu einem funktionierenden Quantencomputer angesehen.
Größer wohl doch besser
Bei der nun in der Fachzeitschrift Nature vorgestellten Methode zur Fehlerkorrektur [1] konnten die Forscher von Google Quantum AI jetzt in Tests zeigen, dass die Fehlerraten bei einem größeren System niedriger waren als bei einem kleineren System. Das ist nicht selbstverständlich, da größere Systeme mit mehr Qubits auch mehr Potenzial für Fehler beinhalten. So könnte sich theoretisch die Performance der Fehlerausbesserung mit zunehmender Anzahl an Qubits verbessern. Wie weit diese Skalierung möglich ist, ist allerdings noch unklar. Es gibt Szenarien, in denen ein größeres System erst weniger Fehler erzeugt – ab einer gewissen Größe aber ein Punkt überschritten wird, ab dem die Anzahl der Fehler wieder zunimmt.
Die Forscher von Google Quantum AI haben einen Fehlerkorrekturcode namens Surface Code angewendet, der auf Wiederholung und Mehrheitsentscheidung basiert. Mit diesem Code ließ sich die Fehlerrate eines Qubits um das 100-fache reduzieren. Die Forscher demonstrierten dabei auch, wie sie den Code auf mehrere Qubits skalieren können, um größere und komplexere Quantencomputer zu ermöglichen. Den Autoren zufolge ist noch weitere Forschung nötig, um Fehlerraten zu erreichen, die gering genug für effektive Berechnungen mit Quantencomputern sind. Die in der Studie vorgestellten Fortschritte stellen aber nach Meinung führender Experten einen entscheidenden Schritt für künftige Entwicklungen dar.
Meilenstein bei der Fehlerkorrektur
Dr. Stefan Filipp, Professor für Technische Physik an der Technischen Universität München, etwa sieht den Surface Code derzeit als den Königsweg zu einem fehlertoleranten Quantencomputer mit supraleitenden Qubits an: "Er basiert darauf, dass eine Erhöhung der Anzahl der physikalischen Qubits, die für ein logisches Qubit benötigt wird, zu einer Verminderung der logischen Fehlerrate führt. Das Resultat von Google zeigt zum ersten Mal, dass dies tatsächlich der Fall ist, und ist – obwohl der Effekt noch klein ist – daher als ein Meilenstein in Richtung fehlerkorrigiertes Quantencomputing zu werten."
Im historischen Kontext bewertet Dr. Andreas Wallraff, Direktor des Quantum Centers und Professor für Festkörperphysik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, den Surface Code: "Dass Fehlerkorrektur nötig sein wird, war schon vor 20 Jahren klar, aber die Implementierung ist schwierig. In den letzten Jahren hat es in dem Bereich jedoch große Fortschritte gegeben. Aber auch nach den Erkenntnissen der aktuellen Studie ist man noch nicht fertig. Die Qualität der Fehlerkorrektur muss noch deutlich verbessert werden, bevor sie im großen Stil in Quantencomputern eingesetzt werden kann."
Link-Codes
Quantenfehler korrigieren https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1