Quantencomputer machen mit Durchbruch bei der Fehlerkorrektur einen großen Schritt

Damit sich Quantencomputer von Forschungskuriositäten zu praktisch nützlichen Geräten entwickeln können, müssen Forscher ihre Fehler in den Griff bekommen. Neue Forschungsergebnisse von Microsoft und Quantinuum haben nun einen großen Schritt in diese Richtung gemacht.

Die heutigen Quantencomputer stecken fest im Zeitalter der „Noisy Intermediate-Scale Quantum“ (NISQ) fest. Während Unternehmen einige Erfolge verbuchen konnten große Anzahl von Qubits zusammenSie sind sehr anfällig für Rauschen, das ihre Quantenzustände schnell verschlechtern kann. Dies macht es unmöglich, Berechnungen mit genügend Schritten durchzuführen, um praktisch nützlich zu sein.

Während einige behaupten, dass diese verrauschten Geräte immer noch in der Praxis eingesetzt werden könnten, herrscht Einigkeit darüber, dass Quantenfehlerkorrekturverfahren für die Ausschöpfung des vollen Potenzials der Technologie von entscheidender Bedeutung sein werden. Bei Quantencomputern ist die Fehlerkorrektur jedoch schwierig, da das Lesen des Quantenzustands eines Qubits dazu führt, dass es zusammenbricht.

Forscher haben Möglichkeiten entwickelt, dies zu umgehen, indem sie Fehlerkorrekturcodes verwenden, die jedes Bit der Quanteninformation auf mehrere physikalische Qubits verteilen, um ein sogenanntes logisches Qubit zu erstellen. Dies sorgt für Redundanz und ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Fehlern in den physikalischen Qubits, ohne die Informationen im logischen Qubit zu beeinträchtigen.

Die Herausforderung besteht darin, dass man bis vor Kurzem davon ausging, dass für die Erstellung jedes logischen Qubits etwa 1,000 physikalische Qubits nötig sein könnten. Die größten Quantenprozessoren von heute verfügen nur über etwa so viele Qubits, was darauf hindeutet, dass die Schaffung ausreichender logischer Qubits für sinnvolle Berechnungen noch in weiter Ferne lag.

Das änderte sich letztes Jahr, als Forscher aus Harvard und dem Startup QuEra zeigten, dass sie es konnten Generieren Sie 48 logische Qubits von nur 280 physischen. Und nun geht die Zusammenarbeit zwischen Microsoft und Quantinuum noch einen Schritt weiter und zeigt, dass sie nicht nur logische Qubits erstellen, sondern damit tatsächlich Fehlerraten um den Faktor 800 unterdrücken und mehr als 14,000 experimentelle Routinen ohne einen einzigen Fehler durchführen können.

„Was wir hier gemacht haben, löst bei mir Gänsehaut aus“, sagt Krysta Svore von Microsoft sagte New Scientist. „Wir haben gezeigt, dass die Fehlerkorrektur wiederholbar ist, funktioniert und zuverlässig ist.“

Die Forscher arbeiteten mit dem H2-Quantenprozessor von Quantinuum, der auf der Trapped-Ion-Technologie basiert und mit nur 32 Qubits relativ klein ist. Durch die Anwendung von von Microsoft entwickelten Fehlerkorrekturcodes konnten sie jedoch vier logische Qubits generieren, bei denen nur alle 100,000 Durchläufe ein Fehler auftrat.

Eine der größten Errungenschaften, stellt das Microsoft-Team fest a blog post, war die Tatsache, dass sie Fehler diagnostizieren und beheben konnten, ohne die logischen Qubits zu zerstören. Dies ist einem Ansatz zu verdanken, der als „aktive Syndromextraktion“ bekannt ist und in der Lage ist, Informationen über die Art des Rauschens zu lesen, das Qubits beeinflusst, und nicht über deren Zustand, Svore sagte IEEE Spectrum.

Allerdings ist das Fehlerkorrekturschema hatte eine Haltbarkeitsdauer. Als die Forscher mehrere Operationen an einem logischen Qubit durchführten und anschließend eine Fehlerkorrektur durchführten, stellten sie fest, dass die Fehlerraten in der zweiten Runde nur noch halb so hoch waren wie in den physischen Qubits und in der dritten Runde keine statistisch signifikanten Auswirkungen mehr auftraten.

Und so beeindruckend die Ergebnisse auch sind, weist das Microsoft-Team in seinem Blogbeitrag darauf hin, dass die Entwicklung wirklich leistungsstarker Quantencomputer logische Qubits erfordert, die nur alle 100 Millionen Operationen einen Fehler machen.

Unabhängig davon stellt das Ergebnis einen massiven Sprung in den Fähigkeiten zur Fehlerkorrektur dar, wie Quantinuum behauptete eine Pressemitteilung stellt den Beginn einer neuen Ära im Quantencomputing dar. Auch wenn das vielleicht etwas übertrieben ist, deutet es doch ganz sicher darauf hin, dass die Zeitpläne der Menschen, wann wir fehlertolerantes Quantencomputing erreichen werden, möglicherweise aktualisiert werden müssen.

Bild-Kredit: Quantinuum H2 Quantencomputer / Quantinuum

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/04/04/quantum-computers-take-a-major-step-with-error-correction-breakthrough/