Quantenfehlerkorrektur wird Quantenteleskope ermöglichen

Forscher aus Australien und Singapur arbeiten an einer neuen Quantentechnik, die das optische VLBI verbessern könnte. Es ist als Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) bekannt und ermöglicht die verlustfreie Übertragung von Quanteninformationen. Wenn diese Technik in einen Quantenfehlerkorrekturcode eingeprägt wird, könnte sie VLBI-Beobachtungen in zuvor unzugänglichen Wellenlängen ermöglichen. Einmal in Instrumente der nächsten Generation integriert, könnte diese Technik detailliertere Untersuchungen von Schwarzen Löchern, Exoplaneten, dem Sonnensystem und den Oberflächen entfernter Sterne ermöglichen.

Die Interferometrietechnik besteht darin, Licht von mehreren Teleskopen zu kombinieren, um Bilder eines Objekts zu erstellen, die ansonsten zu schwierig aufzulösen wären. Very Long Baseline Interferometry bezieht sich auf eine spezielle Technik, die in der Radioastronomie verwendet wird, bei der Signale von einer astronomischen Radioquelle (schwarze Löcher, Quasare, Pulsare, sternbildende Nebel usw.) kombiniert werden, um detaillierte Bilder ihrer Struktur und Aktivität zu erstellen. In den letzten Jahren hat VLBI die detailliertesten Bilder der Sterne hervorgebracht, die Sagitarrius A* (Sgr A*), den SMBH im Zentrum unserer Galaxie, umkreisen.

Wir können bereits Interferometrie mit großer Basislinie in der Mikrowelle durchführen. Bei optischen Frequenzen wird diese Aufgabe jedoch sehr schwierig, da selbst die schnellste Elektronik die Schwingungen des elektrischen Feldes bei diesen Frequenzen nicht direkt messen kann.

Der Prozess, den sie sich vorstellen, würde das kohärente Koppeln des Sternenlichts in „dunkle“ atomare Zustände beinhalten, die nicht strahlen. Der nächste Schritt, sagte Huang, besteht darin, das Licht mit der Quantenfehlerkorrektur (QEC) zu koppeln, einer Technik, die in der Quanteninformatik verwendet wird, um Quanteninformationen vor Fehlern aufgrund von Dekohärenz und anderem „Quantenrauschen“ zu schützen.

Arxiv – Abbildung von Sternen mit Quantenfehlerkorrektur.

Die Kombination des Lichts von Teleskopen über den gesamten Planeten würde eine direkte Abbildung von Planeten in anderen Sonnensystemen ermöglichen. Das Licht des Sterns müsste abgeschirmt werden, damit wir den Exoplaneten im Detail sehen können.

Es wird daran gearbeitet, weltraumgestützte Sternenschirme für große bodengestützte Teleskope zu schaffen. Andere Forscher arbeiten an einem ultraleichten Redesign, das im Weltraum gebaut oder montiert werden kann.

Es gibt Quantencomputer mit Dutzenden – oder bald Hunderten – von Qubits, die verfügbar werden. Viele Forschungsanstrengungen haben sich darauf konzentriert, solche lauten NISQ-Geräte (Intermediate Scale Quantum) zu verwenden, um Fähigkeiten zu demonstrieren, die klassische Computer übertreffen. Hier haben wir eine Anwendung für ein solches NISQ-Gerät zur Bildgebung vorgeschlagen, bei der wir die im empfangenen Sternenlicht codierten Informationen schützen. Für den dominanten Rauschtyp – Dephasierung – zeigen wir, dass ein signifikanter Vorteil erzielt werden kann, selbst wenn ein einfacher Wiederholungscode verwendet wird. Für Rauschtypen (sogar gegensätzliche), die bis zu einem bestimmten Bruchteil der Qubits korrumpieren.

Die Teleskopforscher finden die Schwelle – 9.4 % – für die die Quanten-Fisher-Informationen erhalten bleiben können. Diese Schwelle ist deutlich weniger streng als die für die Quantenberechnung erforderliche. Bei reiner Dephasierung tolerieren sie Fehlerraten bis zu 50 %. Das bedeutet, dass quantenfehlerkorrigierte Teleskope einfacher sind als fehlerkorrigierte Quantencomputer.

Sie gehen davon aus, dass ihr Schema durch Nutzung der Theorie der fehlertoleranten Quantenberechnung selbst bei unvollkommenem QEC-Betrieb einen hohen QFI erreichen kann.