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Jede Quantenoperation ist ein Wettlauf gegen das Rauschen. Forschende der Chalmers University of Technology und der Tianjin University erklären, sie hätten einen Weg gefunden, einige dieser Wettläufe drastisch zu verkürzen.
Ihre Methode ermöglicht es, bestimmte Operationen auf bosonischen Quantencodes in einem einzigen Steuerzyklus abzuschließen, statt in den Tausenden von Zyklen, die frühere Floquet-basierte Ansätze erforderten. Chalmers hob die Arbeit am 10. Sept. nach ihrer Veröffentlichung in Physical Review Letters hervor.
Die Forschenden beschreiben für die betreffenden Operationen eine Beschleunigung um mehr als das 1.000-Fache. Sollte sich dies auch im großen Maßstab bestätigen, könnte dadurch ein bedeutender Steuerungsengpass bei der bosonischen Quantenfehlerkorrektur beseitigt werden.
Das Ergebnis ist theoretisch und von Fachleuten begutachtet; Hardware-Experimente stehen noch aus.
Was das Team von Chalmers und Tianjin entwickelt hat
Qubits reagieren äußerst empfindlich auf Störungen, was die Fehlerkorrektur zu einer der zentralen Herausforderungen beim Bau brauchbarer Quantencomputer macht, so Lei Du, der Erstautor der Studie.
Bosonische Codes verfolgen einen anderen Ansatz im Umgang mit dieser Anfälligkeit. Tangyou Huang, Mitautor der Studie, sagte, dass bosonische Codes Informationen nicht in einzelnen Qubits speichern, sondern in Mikrowellenfeldern innerhalb supraleitender Schaltkreise codieren. Das kann je nach Code und Implementierung Schutz vor bestimmten Fehlertypen bieten.
Dieser Schutz hatte bislang seinen Preis. Frühere Floquet-basierte Ansätze erforderten Tausende wiederholter Steuerungsperioden, um bestimmte Operationen mit bosonischen Codes abzuschließen. Jeder Zyklus bot dem Rauschen eine weitere Gelegenheit, den Zustand zu verfälschen, bevor die Operation beendet war.
Die Forschenden von Chalmers und Tianjin verwendeten stattdessen sogenannte Quanten-Gitter-Gates, ein kürzlich vorgeschlagenes universelles Gate-Set, das diese Transformationen deutlich direkter abschließen soll.
Ein potenziell wichtiger Vorteil besteht darin, dass die Methode keine vollständig neue Hardwareplattform erfordert. „Ein entscheidender Vorteil unseres Ansatzes ist, dass er sich mit bestehenden Plattformen für supraleitende Quantenschaltkreise implementieren lässt“, erklärte Huang.
Das könnte für Hardwareentwickler eine Rolle spielen, die Kosten und Komplexität der Einführung neuer Ansätze abwägen – insbesondere, während weiterhin staatliche Investitionen in Quantenhardware.
Der vollständige Artikel ist in Physical Review Letters, Band 137, Ausgabe 6, veröffentlicht. Die Berichterstattung von Quantum Computing Report ordnet die Arbeit dem Hardwareprogramm des Wallenberg Centre for Quantum Technology von Chalmers zu.
Du und Huang erklärten, sie rechneten bald mit experimentellen Demonstrationen. Sie sprächen bereits mit Kollegen von Chalmers über die Umsetzung. Hardwaretests werden zeigen, ob die theoretische Beschleunigung experimentellem Rauschen und den Einschränkungen der Implementierung standhält.
Warum der Steuerungsaufwand die versteckte Steuer der Quanteninformatik ist
Die Zahl der Qubits sorgt für Schlagzeilen, ist aber nur die eine Hälfte des Problems. Die andere Hälfte ist der Aufwand: Wie viel Steuerungsarbeit ist nötig, um ein Qubit zu schützen, sobald es existiert? Chiphersteller gehen dasselbe Problem des Aufwands von der Seite der klassischen Hardware.
an. Sie entwickeln schnellere Dekodierungs- und Korrekturschaltungen. Dieses Ergebnis geht das Problem stattdessen von der physikalischen Seite an. Es reduziert von vornherein die Zahl der Zyklen, die eine Operation benötigt.
Das Ergebnis ist vielversprechend, stellt aber noch keine in Quantensystemen eingesetzte Verbesserung dar. Die Berichterstattung von The Quantum Insider ordnet die Arbeit als Teil eines umfassenderen Vorstoßes der Branche in Richtung Fehlertoleranz ein, liefert jedoch keine unabhängige Überprüfung der 1.000-mal-Angabe.
Die nächste Herausforderung für die Forschenden besteht darin, nachzuweisen, dass der Ansatz auf bestehender supraleitender Quantenhardware funktioniert.
Was eWeek herausgefunden hat: Die 1.000-mal-Angabe aufgeschlüsselt
Die wichtigste Zahl dieser Forschung ist möglicherweise nicht die Beschleunigung um das 1.000-Fache selbst, sondern das, was sie bewirkt hat.
Die Forschenden behaupten nicht, jeden Teil eines Quantencomputers 1.000-mal schneller zu machen. Sie reduzieren die Zahl der erforderlichen Steuerungsperioden für bestimmte Operationen mit bosonischen Codes von Tausenden auf eine. Dieser Unterschied ist wichtig, weil der potenzielle Vorteil daraus entsteht, dass die Zeitspanne verkürzt wird, in der eine Operation dem Rauschen ausgesetzt bleibt.
Damit fällt das Ergebnis auch in eine andere Kategorie als die Ankündigungen zu Qubit-Zahlen, die die kommerzielle Quanteninformatik dominieren. Anbieter können die Zahl der physischen Qubits erhöhen und dennoch mit enormen Kosten für deren Steuerung, Korrektur und Koordination konfrontiert sein. Diese Forschung greift einen Teil dieses Aufwands direkt an.
Der entscheidende Test verlagert sich nun von der Mathematik auf die Hardware. Wenn die Gates mit einem einzigen Zyklus ihr vorhergesagtes Verhalten auf bestehenden supraleitenden Plattformen beibehalten, könnte die Methode eine Quelle des Fehlertoleranz-Aufwands reduzieren, ohne dass Quantenentwickler die zugrunde liegende Hardware neu entwerfen müssen.
Vorerst bleiben Quanten-Gitter-Gates ein von Fachleuten begutachteter theoretischer Fortschritt, der auf die Validierung durch Hardware wartet. Die nächsten Experimente werden zeigen, ob die Zusammenfassung von Tausenden Steuerungszyklen zu einem einzigen denselben Vorteil bringt, sobald experimentelles Rauschen, unvollkommene Komponenten und echte supraleitende Hardware in die Gleichung einfließen.
Mehr dazu, wie sich Quantenhardware über verschiedene Architekturen hinweg vergleicht, erfahren Sie in unserem Beitrag über Trapped Ion vs. Superconducting vs. Photonic Quantum Computers.