Könnte ein neues System von „Löschfehlern“ der Schlüssel zur Quantenfehlerkorrektur sein?

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Quantencomputers sind Fehler KorrekturN. Fehler beim Quantencomputing kommen recht häufig vor, hauptsächlich aufgrund von Umgebungsgeräuschen und der allgemeinen Fragilität des Systems. Diese Fehler können zu ungenauen Messungen führen und die Ergebnisse der Quantenprogrammierung verfälschen. Viele Unternehmen, wie IBM und Google, arbeiten an Möglichkeiten, diese Fehler zu korrigieren oder Quantencomputer neu zu kalibrieren, um sie fehlersicherer zu machen. In einem neuen Artikel von Nature Communications veröffentlicht Ein Team der Princeton University bietet eine alternative Methode zur Fehlerkorrektur, indem es ein System untersucht, das als „Erasure Error“ bekannt ist.

Was ist Quantenfehlerkorrektur (QEC)?

Denn Qubits, die Kerneinheiten eines Quantencomputers, sind ruhig zerbrechlich, sie sind fehleranfällig. „Das zentrale Problem beim Quantencomputing besteht derzeit darin, genügend Qubits mit hoher Wiedergabetreue zu bekommen, um eine Quantenfehlerkorrektur zu implementieren“, erklärte er Jeffrey Thompson, außerordentlicher Professor an der Princeton University und leitender Forscher der Studie, in einem Interview mit Im Inneren der Quantentechnologie. Für die meisten Arten der Quantenfehlerkorrektur (QEC) wird ein Algorithmus verwendet, um Fehler im Quantencomputer zu identifizieren und zu beheben. Obwohl diese Algorithmen auf mathematischen Ansätzen basieren, sind sie alles andere als perfekt. Wie Thompson erklärte: „In Standard Bei der Quantenfehlerkorrektur müssen Sie anhand einer begrenzten Anzahl von Beobachtungen, den so genannten Syndrommessungen, sowohl die Orte als auch die Arten von Fehlern bestimmen, die in Ihren Qubits aufgetreten sind.“ Obwohl diese Syndrommessungen bei der Lokalisierung von Fehlern hilfreich sind, führen sie nicht immer zu einer erfolgreichen Fehlerkorrektur. „Die Fehlerkorrektur schlägt fehl, wenn Sie nicht über ausreichende Informationen verfügen, um diese Entscheidungen eindeutig zu treffen, was dann der Fall ist, wenn zu viele Fehler vorliegen“, fügte Thompson hinzu.

Löschfehler gefunden

Anstatt dieses Problem durch eine Reduzierung der Gesamtzahl der Fehler zu beheben, arbeiteten Thompson und sein Team daran, die Fehler leichter zu identifizieren. Dies fanden sie fast zufällig heraus, als sie die Struktur des Ytterbium-Qubits untersuchten. Die beiden Elektronen in der äußeren Hülle des Ytterbiums schienen für die Fehlerkorrektur nicht entscheidend zu sein. Indem sie die physikalischen Ursachen des Fehlers untersuchten, konnten die Forscher ein System entwickeln, bei dem die Fehlerquelle die ungenauen Daten löscht oder eliminiert. Das Löschsystem funktionierte, indem es die Quantenfehler mit der Energieverschiebung in den äußeren Elektronen verknüpfte. Thompson nennt dieses spezielle System einen „Löschfehler“ und kann dabei helfen, aufzuzeigen, wo Daten ungenau sind. „Ein ‚Löschfehler‘ ist eine besondere Art von Fehler, der seinen eigenen Standort preisgibt, sodass Sie mehr Syndrominformationen verwenden können, um den Fehlertyp herauszufinden“, sagte Thompson. „Dadurch können Sie mehr Fehler behandeln und somit die Leistung der Fehlerkorrektur steigern.“ Löschfehler sind im klassischen Rechnen recht häufig, werden im Quantencomputing jedoch erst jetzt berücksichtigt.

Mithilfe von Löschfehlern fanden die Forscher heraus, dass ihre neue Technik einem standhalten konnte 4.1% Fehlerrate, die für aktuelle Quantencomputer machbar ist. Bisherige Systeme konnten nur einer Fehlerquote von 1 % standhalten, bevor sie mit einer höheren Fehlerquote überfordert wurden. Thompson glaubt, dass dieser höhere Prozentsatz einen größeren Quantencomputer mit mehr Qubits wahrscheinlich zur Realität machen kann. „Wenn Sie Qubits haben, die zu Löschfehlern tendieren, brauchen Sie nicht so viele und sie können schlechtere Leistungen erbringen“, fügte Thompson hinzu. „Für bestimmte Parameterbereiche könnten löschungsverzerrte Qubits im Vergleich zu herkömmlichen Qubits 10-mal oder sogar 100-mal weniger Qubits erfordern, um ein bestimmtes Niveau an QEC-Leistungen zu erreichen.“ Für viele Unternehmen, die ihre Quantencomputer vergrößern möchten, könnte ein Löschfehlersystem der Schlüssel zum Erreichen dieser Ziele sein. „Es könnte möglich sein, bestehende Qubits subtil umzugestalten, um dies zu erreichen“, sagte Thompson. „Das Interesse an dieser Idee ist groß.“

Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Wissenschaftskommunikatorin bei JILA (einer Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Zu ihren Schreibschwerpunkten gehören Deep Tech, das Metaversum und Quantentechnologie. Weitere Arbeiten von ihr finden Sie auf ihrer Website: https://kennacastleberry.com/