Meilenstein in Quanten-Fehlerkorrektur erreicht

Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für die künftige Informationsverarbeitung. Ob sie herkömmliche Computer aber je werden ablösen können, ist ungewiss, denn Quantencomputer bergen ein Problem: Sie sind extrem fehleranfällig und die Fehlerkorrektur ist sehr anspruchsvoll.

Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, eine wichtige Hürde zu überwinden: Sie konnten erstmals Fehler in Quantensystemen soweit automatisch korrigieren, dass die Ergebnisse der Quantenoperationen praktisch verwendet werden können. «Der Nachweis, dass sich Fehler in einem mit Quanten-Bits (Qubits) arbeitenden Quantencomputer schnell und wiederholt korrigieren lassen, ist ein Durchbruch auf dem Weg zu einem praxistauglichen Quantencomputer», sagt Andreas Wallraff, Professor am Departement Physik und Direktor des Quantum Center der ETH Zürich. Die dazugehörige Publikation haben die Wissenschaftler soeben als Preprint auf ArXiv.org veröffentlicht und zur Publikation bei einer Fachzeitschrift eingereicht.

Raffinierte Anordnung der Qubits
Bisherige Fehlerkorrekturverfahren konnten jeweils nur eine von zwei fundamentalen Fehlerarten, die in Quantensystemen auftreten, aufspüren und korrigieren. Das Team um Andreas Wallraff präsentiert nun das erste System, das beide Fehlertypen wiederholt sowohl detektieren als auch korrigieren kann. Gelungen ist den Forschenden dieser bedeutende Erfolg mit einem eigens im Reinraumlabor der ETH Zürich hergestellten Chip, auf dem sich insgesamt 17 supraleitende Qubits befinden. Die Fehlerkorrektur realisierten das Forschungsteam mit dem sogenannten Surface Code – einer Methode, bei der die Quanteninformation eines Qubits über mehrere physikalische Qubits verteilt wird.

Neun der 17 Qubits, die sich auf dem Chip befinden, sind in einem quadratischen Dreimal-drei-Gitter angeordnet und bilden gemeinsam ein sogenanntes logisches Qubit – die Recheneinheit für einen Quantencomputer. Die restlichen acht Qubits auf dem Chip sind versetzt dazu angebracht. Ihre Aufgabe ist es, Fehler im System zu erkennen.

Tritt im logischen Qubit eine Störung auf, welche die Information verfälscht, erkennt das System diese Störung als Fehler. Die Steuerelektronik korrigiert daraufhin das Messsignal entsprechend. «Im Moment korrigieren wir die Fehler noch nicht direkt in den Qubits», gibt Sebastian Krinner, Wissenschaftler in Wallraffs Gruppe und gemeinsam mit Nathan Lacroix Erstautor der Studie, zu bedenken. «Aber für die meisten Rechenoperationen ist das auch gar nicht notwendig.»

Die hochspezialisierte Elektronik, mit der die Qubits auf dem Chip angesteuert werden, wurde vom ETH-Spin-off Zurich Instruments hergestellt. Der Chip selbst befindet sich auf der untersten Ebene eines grossen Kryostaten – eines speziellen Kühlgerätes – und arbeitet bei einer Temperatur von gerade mal 0,01 Kelvin, also knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Kompetitives Forschungsgebiet
Die Fehlerkorrektur ist derzeit ein stark umkämpftes Feld in der Quantenforschung. Neben technischen Hochschulen wie der ETH Zürich oder der TU Delft beteiligen sich auch grosse Konzerne wie Google oder IBM an diesem Wettbewerb. «Dass es uns gemeinsam mit unseren Kollegen aus Deutschland und Kanada gelungen ist, als erste Gruppe eine praktische Fehlerkorrektur mit Qubits zu realisieren, erfüllt uns mit Stolz», sagt Wallraff. «Es bestätigt, dass wir an der ETH Zürich wirklich in der Topliga der Quantenforschung mitspielen.»

In einem nächsten Schritt wollen die ETH-Forschenden nun einen Chip mit einem Fünf-mal-fünf-Qubit-Gitter bauen, das eine entsprechend aufwändigere Technik erfordert und auch mehr Qubits zur Fehlerkorrektur enthalten soll.