https://www.faz.net/-gwz-9li8j

Quanten-Fehlerkorrektur : Lecks im Quantencomputer

  • -Aktualisiert am

IBM Forscher Jerry Chow mit einem supraleitenden Quantenchip des Quantencomputers IMQ Bild: IBM/Feature Photo Service

Auch Quantencomputer sind keine perfekten Rechenmaschinen. So können die Informationen der Quantenbits unbemerkt in unerwünschte Zustände entschwinden und verloren gehen. Ein Algorithmus kann diesen häufigen Fehler aufdecken und eingrenzen.

          3 Min.

          Quantencomputer gelten seit einiger Zeit als heißes Eisen in der Informationstechnologie. Ihre Besonderheit liegt darin, dass die fundamentalen Recheneinheiten, die Quantenbits, Informationen nicht nur in Form klassischer Bits, also als „0“ oder „1“, kodieren können, sondern den eigenartigen Gesetzen der Quantenphysik gemäß auch gleichzeitig jede beliebige Überlagerung dieser beiden binären Zustände annehmen können. Dieser Effekt potenziert sich überdies, wenn viele Quantenbits oder „Qubits“ zusammengeschaltet werden. Von einer bestimmten Zahl von Qubits an nimmt die Informationsdichte und damit die Rechenleistung in einem Quantenprozessor im Vergleich zu den klassischen Bits in normalen Computern so massiv zu, dass künftige Quantenrechner bei bestimmten Aufgaben jeden konventionellen Supercomputer wie einen alten Taschenrechner aussehen lassen sollten.

          So weit die Theorie – doch in der Praxis kann eine ganze Reihe unerwünschter Prozesse die Rechnung durcheinanderbringen. Noch sind Quantencomputer ein ganzes Stück weit entfernt von der „Quantenüberlegenheit“, bei der sie ihre Vorteile voll ausspielen. Denn die realen Qubits lassen sich nur mit großem technischem Aufwand dazu bringen, das zu tun, was logische Quantenbits tun sollen: Korrekte, störungsfreie Quantenrechnungen ausführen. Eine bedeutende Schwierigkeit, die hier regelmäßig auftritt, hat nun eine Forschergruppe um Animesh Datta von der University of Warwick in Coventry analysiert. Quantensysteme können meistens nicht nur zwei Zustände annehmen, sondern auch noch weitere. Anstelle einer „0“ oder „1“ können Qubits auch in den Zustand „2“ oder „3“ oder noch höher wechseln, beziehungsweise in einen Mischzustand, in dem außer „0“ und „1“ auch unerwünschte höhere Werte auftreten: Die Qubits sind gewissermaßen „undicht“ und tröpfeln ihre Informationen hin und wieder in unbrauchbare Quantenzustände aus, die dann bei der weiteren Kalkulation zu Fehlern führen.

          Kontrolle über den Datenstrom

          „Fast alle heute benutzten Arten von Qubits sind anfällig für solche Lecks“, sagt Animesh Datta. Mit Hilfe geschickter Ansprechverfahren lassen sich diese Löcher zwar minimieren, aber nie ganz vermeiden. Qubits sind schließlich hochempfindliche Mikrosysteme, bei denen schon kleinste thermische Fluktuationen, mechanische Vibrationen oder elektromagnetische Störeinflüsse sich sofort bemerkbar machen können.

          Seit kurzem gibt es mit dem System „IBM Q“ bereits einen kommerziellen Quantencomputer, auf den weltweit Kunden von IBM über das Internet zugreifen können. Nun ist es nicht einfach, die Ursachen für die Fehlerrate dieses und anderer Systeme aus der Ferne abzuschätzen. Um die Zuverlässigkeit von Quantenalgorithmen testen zu können, wird nach Verfahren gesucht, die mögliche Fehlerquellen unabhängig von der jeweiligen Hardware aufdecken. Datta und seine Kollegen haben deshalb einen besonderen Algorithmus entwickelt, mit dem sich eine „Zustandsleckage“ auch über einen Zugriff aus der Ferne isolieren lässt.

          Die Forscher haben ihr Verfahren, das auf sogenannten „verzögerten Vektoren“ basiert, aus der klassischen Chaostheorie adaptiert und auf Quantensysteme zugeschnitten. Das Programm analysiert den Datenstrom des Quantenrechners nach bestimmten Instruktionen und vergleicht die Zahlen mit früheren Daten. Daraus lässt sich in einem komplexen mathematischen Verfahren ableiten, wie löchrig die Qubits gewesen sind. Getestet haben die Forscher ihren Ansatz an dem Quantenrechner von IBM.

          Wie Datta und seine Kollegen in der Zeitschrift „Physical Review A“  berichten, zeigte „IBM Q“ zwar insgesamt eine niedrige Fehlerrate bei einzelnen Qubits. Der Quantenrechner ließ sich aus der Ferne aber nicht schnell genug ansteuern, um den Fehler von Qubit-Paaren abschätzen zu können. Die Forscher wollen dies in Zukunft mit einem optimierten Verfahren versuchen.

          In den kommenden Jahren dürfte die Behebung von Fehlern immer wichtiger werden, da der Effekt von Leckagen mit der Größe von Quantenrechnern weiter zunimmt. „Mit steigender Leistungsfähigkeit von Quantencomputern wird die Zustandsleckage zur nächsten großen Hürde auf dem Weg zur Anwendung“, erklärt Datta. Man kann die Fehlerrate mit geeigneter Hardware und einer geschickt gewählten Rechnerarchitektur zwar verringern – aber eine Optimierung der Leckage kann zu anderen Schwierigkeiten und Leistungseinbußen führen, so dass noch viele intelligente Kompromisse und viel Arbeit an Details gefragt sind, bevor deutliche Fortschritte bei Quantencomputern zu verzeichnen sein werden.

          Da die empfindlichen Qubits sich nie ganz perfekt verhalten werden, sind auch von der Software-Seite neue Lösungen gefragt. „Von der theoretischen Seite her benötigen wir bessere Verfahren zur Quanten-Fehlerkorrektur und außerdem eine höhere Fehlertoleranz gegenüber der Zustandsleckage“, so Datta. Zurzeit wird sowohl auf der Hard- wie auf der Software-Seite intensiv an Lösungen gearbeitet. Man darf gespannt bleiben, wie sich insbesondere die Konkurrenz zwischen universitärer und kommerzieller Forschung auf diesem Gebiet entwickelt.

          Weitere Themen

          Topmeldungen

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.