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Quantencomputer : Google verringert die Fehlerrate seines Quantencomputers

Der Quantenprozessor „Sycamore“ von Google verfügt über 53 miteinander gekoppelte supraleitende Quantenbits. Bild: Google AI

Nächste Stufe des Quantenrechnens: Google-Mitarbeiter haben haben ein zentrales Problem des Quantencomputers „Sycamore“ in den Griff bekommen: die Fehlerrate.

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          Nobody’s perfect – das gilt insbesondere auch für Googles Quantencomputer „Sycamore“, der vor zwei Jahren ein mathematisches Pro­blem schneller lösen konnte als ein klassischer Supercomputer. Trotz seiner Leistungsfähigkeit, die auf 53 supraleitenden Quantenresonatoren beruht, die die Rolle der Quantenbits (Qubits) übernehmen, ist das System äußerst störanfällig. Mitarbeiter des Google-Quantentechnologieteams haben nun eine Methode entwickelt, um dieses Problem in den Griff zu bekommen, und diese in einem Fachaufsatz in der Wissenschaftszeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zu schaffen machen Sycamore – wie allen existierenden Quantencomputern – vor allem elektrische Streufelder und Temperaturschwankungen. Sie zerstören die fragilen Quantenzustände, die etwa bei Sycamore in tiefgekühlten Mikrowellenresonatoren gespeichert sind. Weil durch Störungen wichtige Quanteninformationen verloren gehen, die der Rechner benötigt, schleichen sich schnell Fehler ein.

          Die klassische Fehlerkorrektur eines PCs hilft da nicht weiter. Die in den Qubits codierten Daten können nicht wie klassische Bits kopiert und somit auch nicht als Sicherheitskopie abgespeichert werden. Beim Kopieren werden die Originaldaten zerstört und gehen verloren, was die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers vermindert. Gefragt sind daher andere Strategien zur Fehlervermeidung. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature stellen die Wissenschaftler von Google ein erfolgversprechendes Verfahren vor, mit dem es gelungen ist, die Rate an Rechenfehlern drastisch zu reduzieren.

          „Ein großer Schritt zur Praxisanwendung“

          Die Erbauer von Quantencomputern haben inzwischen gelernt, Fehler einzelner Qubits schnell zu erkennen und anschließend zu beheben, sodass Quanteninformation über längere Zeit erhalten bleibt. Dabei helfen spezielle Algorithmen und Hilfsqubits. Diese bemerken sofort, wenn ein zuvor aktives Quantenbit abhandengekommen ist. Das geschieht berührungslos, über den Effekt der quantenmechanischen Verschränkung. Anschließend wird ein Mechanismus ausgelöst, der die Information in dem verloren gegangenen Quantenbit rettet und wiederherstellt.

          Eine erfolgreiche Strategie, die auch die Forscher von Google bei Sycamore nutzen, ist, die Quanteninformation nicht in einzelnen fragilen supraleitenden Quantenresonatoren zu speichern, sondern sie auf eine größere Anzahl dieser physikalischen Objekte zu verteilen und zu codieren. Dabei entstehen logische Quantenbits, die unempfindlicher gegenüber Störungen sind. Rechenfehler erkennen die Forscher über Vergleichsmessungen, woraufhin eine entsprechende Korrektur vorgenommen wird. Quanteninformationen bleiben so länger erhalten. Die Fehlerkorrektur erfolgt über einen speziellen Algorithmus. Durch die wiederholte Anwendung der Fehlerkorrektur-Codes gelang es, die Fehlerrate um den Faktor hundert zu verringern, wie Julian Kelly und seine Kollegen schreiben.

          Quantenphysiker Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich misst der aktuellen Studie der Google-Forscher eine ähnliche Bedeutung zu wie der Arbeit zur Quantenüberlegenheit von Syca­more vor zwei Jahren. „Die vorgestellten Methoden zur Fehlerkorrektur sind ein großer Schritt zur Praxisanwendung“, sagt Calarco. Ohne Fehlerkorrektur könne es keinen funktionierenden Quantencomputer geben, so Calarco.

          Die Vorteile der Quanteninformationsverarbeitung seien nur nutzbar, wenn die Information über die gesamte Laufzeit der durchgeführten Rechnung erhalten bleibt. Noch könne man nicht sagen, ob der Faktor hundert reiche oder man noch geringere Fehlerraten benötigt, damit Sycamore seine volle Leistungsfähigkeit ausspielen kann.

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