Physiker "beamen" Fehler in Quantencomputern weg
Wiener und chinesische Forscher stellen Mechanismus für Fehlerkorrektur
in optischen Quantencomputern vor
Ein Versuchsaufbau im Quantenlabor an der ÖAW zur Verschränkung von
Photonen. Diese Quantenteleportation könnte künftig als Fehlerkorrektur
bei Quantencomputern funktionieren.
Foto: Klaus Pichler/ÖAW
Zwischen herkömmlichen Computern und Quantencomputern liegt ein
himmelweiter Unterschied, sowohl in der Leistungsfähigkeit, als auch in
der Funktionsweise der beiden Systeme. So reagieren Quantencomputer
beispielsweise äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse, was sie in ihre
Anwendung auch so komplex macht: Es können sich immer wieder Fehler
einschleichen, etwa wenn ein Quanten-Bit (Qubit) ungewollt seinen
Zustand ändert.
In einem klassischen Computer entspräche das dem unerwünschten schalten
eines Bits von 0 auf 1 oder umgekehrt. Dort können Fehler korrigiert
werden, indem ein Bit mehrfach kopiert wird. Die Mehrheit der Kopien
behält den richtigen Wert, auch wenn sich einzelne Fehler einschleichen.
In der Quantenwelt ist das deutlich komplizierter, da sich
Quanteninformation nicht kopieren lässt.
Durchbruch bei der Fehlerkorrektur
Ein Team von Physikern um Anton Zeilinger von der Österreichischen
Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien sowie um
Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China hat
nun einen Mechanismus für Fehlerkorrektur in optischen Quantencomputern
vorgestellt. Er basiert auf der Teleportation, also der Fernübertragung
von Quanteninformation und kommt laut den Forschern einem regelrechten
"Durchbruch gleich.
Bei der Quantenteleportation wird Information, die ein Quantenobjekt
trägt, über beliebige Distanzen auf ein anderes Quantenobjekt übertragen
– weshalb dieses Phänomen gerne mit dem "Beamen" aus der Science
Fiction-Serie "Star Trek" verglichen wird. Konkret fassen die Physiker
neun physikalische Qubits zu einem virtuellen Qubit zusammen, sie
bezeichnen dies als "logisches Qubit". In dieses System "teleportieren"
sie die Information eines einzelnen Qubits, wie sie im Fachjournal
"Pnas" berichten.
Neun-Qubit-System aus drei Photonenpaaren
"So können wir erkennen, ob sich ein Fehler am Qubit ereignet hat, ohne
dessen Zustand zu stören", erklärte Manuel Erhard vom Institut für
Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW. Jene Ergebnisse, wo
die Messung anzeigt, dass ein Fehler passiert ist, werden verworfen.
"Aktiv korrigieren können wir einen Fehler noch nicht, das ist der
nächste Schritt", so der Physiker.
Im Detail besteht das Neun-Qubit-System nur aus drei Photonenpaaren, die
in komplizierte Verschränkungszustände gebracht werden. Dass die
Forscher die Zahl an Qubits höher halten können als die Zahl der
Photonen liegt daran, dass sie unterschiedliche Freiheitsgrade der
Lichtteilchen verwenden, etwa ihre Polarisation und ihren Drehimpuls. So
erhalten sie pro Photon drei Qubits, die sie unabhängig voneinander
manipulieren können. Neben diesem zentralen Teil gibt es noch ein
Photon, das die Information trägt, die gegen Fehler gesichert werden
soll, und zwei Photonen für den eigentlichen Teleportationsprozess und
die Kontrolle des Systems.
Erster Schritt zu robusten Quantencomputern
"Mit unserem Experiment konnten wir die Qualität der Qubits signifikant
erhöhen", sagt Zeilinger: "Das ist ein wichtiger erster Schritt, um
Quantencomputer robuster gegenüber Fehlern zu machen." Künftig könnten
die Berechnungen in einem Quantencomputer mit zahlreichen dieser
"logischen Qubits", die aus einzelnen physikalischen Qubits bestehen,
erfolgen. Grundsätzlich laufe der von ihnen entwickelte
Fehlerkorrektur-Mechanismus auf allen physikalischen Plattformen, mit
denen Quantencomputer realisiert werden können, er eigne sich aber
besonders gut für optische Quantencomputer, sagte Erhard. (red, APA,
7.9.2021)
https://www.derstandard.de/story/2000129455979/physiker-beamen-fehler-in-quantencomputern-weg