Der Quantencomputer wird erwachsen

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Einen wesentlichen Baustein für den zukünftigen Quantencomputer haben Physiker der Universität Innsbruck demonstriert: die wiederholbare Fehlerkorrektur. Damit können im Quantencomputer auftretende Fehler schnell rückgängig gemacht werden.

Werden Daten übertragen, können Störungen die Informationen verfälschen. Das gilt auch für Quantencomputer. Grafik: Harald Ritsch
Störungen können Daten verfälschen. Grafik: Harald Ritsch

Für die Datenverarbeitung gilt: Werden Daten gespeichert oder übertragen, können Störungen die Informationen verfälschen oder löschen. Für herkömmliche Computer wurden Techniken entwickelt, um solche Fehler automatisch zu erkennen und zu korrigieren. Dazu werden die Daten mehrfach verarbeitet und bei Fehlern durch einen Vergleich die wahrscheinlichste Variante ausgewählt.

Da Quantensysteme empfindlicher auf Umwelteinflüsse reagieren als klassische Systeme, benötigt ein Quantencomputer ebenfalls einen effizienten Algorithmus zur Fehlerkorrektur. Innsbrucker Quantenphysikern um Philipp Schindler und Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben nun einen solchen Algorithmus im Experiment realisiert. “Die Schwierigkeit besteht darin, dass Quanteninformation grundsätzlich nicht kopiert werden kann”, sagt Schindler. “Wir können die Information also nicht mehrfach abspeichern und dann vergleichen.” Die Physiker bedienen sich deshalb einer Besonderheit der Quantenphysik und machen die quantenmechanische Verschränkung für die Fehlerkorrektur nutzbar.

Das Quantenbit (blau) wird mit Hilfsbits (rot) verschränkt. Tritt ein Fehler auf, wird der Zustand des gestörten Quantenbits mit Hilfe der anderen wieder hergestellt. Grafik: Harald Ritsch
Das Quantenbit (blau) wird mit Hilfsbits (rot) verschränkt. Grafik: Harald Ritsch

Um den Mechanismus zu demonstrieren, fangen die Innsbrucker Physiker in einer Ionenfalle drei Kalziumionen. Alle drei Teilchen werden als Quantenbit (Qubit) verwendet, wobei ein Ion als Informationsträger, die anderen beiden als Hilfsqubits dienen. “Wir verschränken zunächst das erste Qubit mit den beiden Hilfsbits und übertragen so die Quanteninformation auf alle drei Teilchen”, so Schindler. “Ein Quantenalgorithmus stellt dann fest, ob und welcher Fehler dabei auftritt. Worauf der Algorithmus den Fehler selbstständig korrigiert.”

Nach der Korrektur werden die Hilfsbits durch optisches Pumpen mit Hilfe eines Laserstrahls wieder zurückgesetzt. “Dies ist das eigentlich neue Element in unserem Experiment, das die wiederholte Fehlerkorrektur erst möglich macht”, sagt Blatt. “Befreundete amerikanische Physiker haben vor Jahren die prinzipielle Funktionsweise der Quantenfehlerkorrektur demonstriert. Mit unserem Mechanismus ist es nun aber erstmals möglich, Fehler wiederholt und effizient zu korrigieren.”

“Damit ein künftiger Quantencomputer tatsächlich Realität wird, benötigen wir einen Quantenprozessor mit zahlreichen Quantenbits”, sagt Schindler. “Außerdem bedarf es Rechenoperationen, sogenannter Quantengatter, die nahezu fehlerfrei arbeiten. Der dritte wesentliche Baustein ist eine funktionierende Fehlerkorrektur.” Die Forschungsgruppe um Blatt arbeitet seit vielen Jahren an der Realisierung des Quantencomputers. Vor drei Jahren präsentierte sie die ersten Quantengatter mit einer Güte von über 99 Prozent. Die Forschungsarbeit zur Quantenfehlerkorrektur wurde jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. (Science am 27. Mai. DOI: 10.1126/science.1203329). Rainer Blatt über die neuen Forschungsarbeiten: