Ein physikalisches Qubit mit integrierter Fehlerkorrektur

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Forschern der Universitäten Mainz, Olmütz und Tokio ist es gelungen, aus einem einzigen Lichtpuls ein logisches Qubit zu erzeugen, das die Fähigkeit besitzt, Fehler zu korrigieren.

Auf dem Gebiet des Quantencomputings wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Große Global Player wie Google und IBM bieten bereits cloudbasierte Quantencomputing-Dienste an. Bei Problemen, die auftreten, wenn Standardcomputer an ihre Leistungsgrenzen stoßen, können Quantencomputer jedoch noch nicht helfen, da die Verfügbarkeit von Qubits bzw. Quantenbits, also den Grundeinheiten der Quanteninformation, noch unzureichend ist. Einer der Gründe dafür ist, dass reine Qubits für die Ausführung eines Quantenalgorithmus nicht unmittelbar von Nutzen sind.

Während die Binärbits herkömmlicher Computer Informationen in Form fester Werte von entweder 0 oder 1 speichern, können Qubits gleichzeitig 0 und 1 darstellen, was die Wahrscheinlichkeit ihres Wertes ins Spiel bringt. Dies wird als Quantenüberlagerung bezeichnet. Dadurch sind sie sehr anfällig für äußere Einflüsse, sodass die gespeicherten Informationen leicht verloren gehen können. Damit Quantencomputer verlässliche Ergebnisse liefern, ist es notwendig, eine echte Verschränkung zu erzeugen, um mehrere physikalische Qubits zu einem logischen Qubit zusammenzufügen. Sollte eines dieser physikalischen Qubits ausfallen, behalten die anderen Qubits die Informationen. Eines der Haupthindernisse für die Entwicklung funktionsfähiger Quantencomputer ist jedoch die große Anzahl der benötigten physikalischen Qubits.

Vorteile eines photonenbasierten Ansatzes

Um Quantencomputing realisierbar zu machen, werden viele verschiedene Konzepte eingesetzt. Große Konzerne setzen derzeit beispielsweise auf supraleitende Festkörpersysteme, die jedoch den Nachteil haben, dass sie nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt funktionieren. Photonische Konzepte hingegen funktionieren bei Raumtemperatur. Als physikalische Qubits dienen hier meist einzelne Photonen. Diese Photonen, bei denen es sich gewissermaßen um winzige Lichtteilchen handelt, arbeiten von Natur aus schneller als Festkörper-Qubits, gehen aber gleichzeitig auch leichter verloren. Um Qubit-Verluste und andere Fehler zu vermeiden, ist es notwendig, mehrere Einzelphotonen-Lichtimpulse zusammenzukoppeln, um ein logisches Qubit aufzubauen – wie im Fall des supraleiterbasierten Ansatzes.

Ein Qubit mit der inhärenten Fähigkeit zur Fehlerkorrektur

Forscher der Universität Tokio haben kürzlich zusammen mit Kollegen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) in Deutschland und der Palacký-Universität Olomouc in der Tschechischen Republik eine neue Möglichkeit zum Aufbau eines photonischen Quantencomputers demonstriert. Anstelle eines einzelnen Photons verwendete das Team einen lasererzeugten Lichtimpuls, der aus mehreren Photonen bestehen kann. „Unser Laserpuls wurde in einen quantenoptischen Zustand umgewandelt, der uns die inhärente Fähigkeit verleiht, Fehler zu korrigieren“, erklärte Professor Peter van Loock von der Universität Mainz. „Obwohl das System nur aus einem Laserpuls besteht und daher sehr klein ist, kann es Fehler im Prinzip sofort beseitigen.“ Es ist also nicht nötig, über zahlreiche Lichtpulse einzelne Photonen als Qubits zu erzeugen und diese dann als logische Qubits interagieren zu lassen. „Wir brauchen nur einen einzigen Lichtimpuls, um ein robustes logisches Qubit zu erhalten“, fügte van Loock hinzu. Mit anderen Worten: Ein physikalisches Qubit entspricht in diesem System bereits einem logischen Qubit – ein bemerkenswertes und einzigartiges Konzept. Allerdings war das an der Universität Tokio experimentell hergestellte logische Qubit noch nicht von ausreichender Qualität, um die erforderliche Fehlertoleranz zu gewährleisten. Dennoch haben die Forscher eindeutig gezeigt, dass es möglich ist, nicht-universal korrigierbare Qubits mit den innovativsten quantenoptischen Methoden in korrigierbare Qubits umzuwandeln.

Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Wissenschaft. Sie basieren auf einer rund 20-jährigen Zusammenarbeit zwischen der experimentellen Gruppe von Akira Furusawa in Japan und dem theoretischen Team von Peter van Loock in Deutschland.



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