Quantencomputer realisiert Selbstkorrekturtechnik, nutzt erfolgreich 100 Qubits für kontinuierliche Berechnung

Forschende demonstrierten, wie ein Quantencomputer während laufender Berechnung kontinuierlich seine Qubits misst und zurücksetzt, um das chaotische Verhalten im Prozessor zu beherrschen. Das Experiment nutzte bis zu 100 Qubits und zeigt eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung zuverlässigerer Quantencomputer. Das Forschungsteam umfasst Wissenschaftler von der Rutgers University, IBM sowie mehreren kooperierenden Institutionen. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht und offenbaren einen deutlichen Übergang zwischen chaotischem und kontrollierbarem Quantenverhalten.

Die einzigartigen Herausforderungen von Quantencomputern

Qubits zurücksetzen, um Ordnung wiederherzustellen Quantencomputer verarbeiten Informationen anders als klassische Computer. Ihre Qubits können sich in einer Überlagerung mehrerer Zustände befinden, was Fähigkeiten verleiht, die klassische Bits nicht direkt replizieren können. Doch diese fragilen Zustände können durch Interaktionen mit der Umgebung und Hardwarefehler verschlechtern. Während der Berechnung häufen sich Fehler an, die das Ergebnis letztlich unzuverlässig machen. Daher müssen Forschende Systeme entwickeln, die diese Fehler während laufender Berechnung erkennen und korrigieren. Dieser Ansatz wird als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet und bildet die Basis fehlertoleranten Quantencomputings.

Das Team testete einen IBM Quantum Heron Prozessor mit 156 Qubits. Die Forschenden wählten eine verbundene Kette von bis zu 100 Qubits für das Experiment. Sie führten zwei konkurrierende Prozesse abwechselnd durch. Ein Prozess lässt die Information benachbarter Qubits durcheinandergeraten und verbreitet Unordnung im System; der andere misst kontinuierlich einzelne Qubits und setzt sie auf einen vorgegebenen Zustand zurück. Das Experiment umfasste nahezu 5.000 Zwei-Qubit-Operationen sowie nahezu 5.000 Mess- und Reset-Zyklen, was den Forschenden ermöglichte zu untersuchen, wie wiederholte Eingriffe den Verwirrungsprozess ausgleichen.

Deutlicher Wandel des Chaos Die Forschenden justierten die Frequenz jedes Prozesses, um zu bestimmen, welches Verhalten dominiert. Wenn der Verwirrungsprozess häufiger auftritt, verbleibt das System im chaotischen Zustand. Umgekehrt strebt das System einem geordneten, kontrollierbaren Zustand zu, wenn Mess- und Reset-Prozesse häufiger stattfinden. Der markanteste Wandel tritt nahe einem 50-50-Gleichgewicht zwischen den beiden Prozessen auf. Kleinste Anpassungen der relativen Frequenz können drastische Veränderungen des gesamten Systems auslösen. Physiker bezeichnen dieses Phänomen als Phasenübergang, der einen kollektiven Verhaltenswandel des Systems beschreibt, ähnlich dem Gefrieren von Wasser.

Die Wirkung zufälliger Eingriffe

Justin Wilson, Associate Professor für Physik an der Louisiana State University und Koautor der Studie, erklärt, dass zufällige Eingriffe ursprünglich unvorhersehbares Verhalten unterdrücken können. Die Forschenden stellten zudem fest, dass dieser Übergang in Quantensystemen fortbesteht, dessen Überlebensfähigkeit jedoch weiterhin ungewiss ist. Die Ergebnisse stimmen mit theoretischen Vorhersagen überein. Wenn die Forschenden größere Systeme untersuchen, wird die Definition dieses Übergangs schärfer, was darauf hindeutet, dass der Effekt über kleine experimentelle Schaltkreise hinausgeht. Auf dem Weg zum fehlertoleranten Computing Echtzeit-Feedback wird künftigen Quantenprozessoren helfen, Fehler während verlängerter Berechnungen zu managen.

Fehlertolerante Maschinen müssen diese Operationen vielfach wiederholen, ohne die verarbeitete Information zu zerstören. IBM-Forscherin Maika Takita erklärt, dass das Experiment in einem großen System Quantenoperationen, Messungen und Resets tausendfach koordinierte. Sie beschreibt diese Fähigkeit als wichtigen Schritt hin zu praktischer Fehlerkorrektur. Das Team testete zudem größere Systeme, die sich nicht mehr mit klassischen Computern simulieren lassen. Dieser Vergleich stärkt das Vertrauen in die theoretische Deutung. Forschende vom City College of New York, der Iowa State University, der Penn State University und weiteren Institutionen trugen ebenfalls zu dieser Arbeit bei.

Diese Demonstration etabliert keinen vollständig fehlertoleranten Quantencomputer, zeigt jedoch, dass aktuelle Hardware bei laufendem Betrieb wiederholt in das Quantensystem eingreifen kann und damit skalierbares Quantencomputing einem zentralen Ingenieursziel näherbringt.

Ein wichtiger Schritt hin zu fehlertolerantem Quantencomputing

Die Entwicklung von Quantencomputern steht vor einzigartigen Herausforderungen der Informationsverarbeitung, insbesondere der Fragilität von Qubits. Diese Studie zeigt, wie durch kontinuierliche Messung und Reset Fehler gemanagt werden können, und legt damit den Grundstein für Quantenfehlerkorrektur. Dank der im Experiment gewonnenen Erkenntnisse zur Anpassung der Prozessfrequenzen können Forschende das Systemverhalten steuern, was für die zukünftige Fehlertoleranz des Quantencomputings entscheidend ist. Obwohl diese Demonstration noch keine vollständige Fehlertoleranz erreicht, belegt sie die Skalierbarkeit des Quantencomputings und gibt neue Hoffnung für die künftige Entwicklung der Quantentechnologie.