Bauplan für fehlertolerante Qubits

Als zukünftig schnellste Rechner gehandelt, ist die Erwartung an Quantencomputer entsprechend groß. Doch bis zur Realisierung sind noch einige Hürden zu nehmen. Eine dieser Herausforderungen ist die Störanfälligkeit der Quantenbits, kurz Qubits. Bisher waren die verschiedenen Störungen nur mit großem Aufwand zu beheben. Ein Team der beiden JARA-Partner Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen hat nun unter der Leitung von JARA-Professor David DiVincenzo einen Entwurf für einen Schaltkreis mit passiver Fehlerkorrektur vorgestellt, die den Bau von Quantencomputern vereinfachen würde.

Bis zur Realisierung eines Quantencomputers mit einer Vielzahl an miteinander verschränkten Qubits, sind noch mehrere Herausforderungen zu meistern. Um die Quanteninformation zuverlässig kodieren zu können, werden üblicherweise mehrere instabile Qubits zu einem sogenannten logischen Qubit kombiniert. Durch Quantenfehlerkorrektur-Codes, kurz QEC-Codes (quantum error correction), wird es damit möglich, Fehler einzelner Qubits zu erkennen und anschließend zu beheben, sodass die Quanteninformation über längere Zeit erhalten bleibt.

Die Anwendung einer solchen aktiven Fehlerkorrektur in einem Quantencomputer ist jedoch sehr aufwändig, weswegen die Wissenschaftler*innen rund um JARA-Professor David DiVincenzo, Leiter des JARA-Instituts für Quanteninformation, gemeinsam mit Experten aus Aachen, Jülich, der Universität Basel und dem QuTech Delft, nach neuen Lösungen geforscht haben. Das Ergebnis der Wissenschaftler*innen ist ein Entwurf eines supraleitenden Schaltkreises mit eingebauter Fehlerkorrektur. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Schaltungen ist diese so ausgelegt, dass sie schon von sich aus gegen Störungen aus der Umgebung geschützt und dennoch kontrollierbar ist. Das Konzept umgeht damit die Notwendigkeit einer aktiven Stabilisierung auf eine hochgradig Hardware-effiziente Weise und wäre daher ein vielversprechender Kandidat für einen zukünftigen Quantenprozessor, der über eine große Zahl von Qubits verfügt.

"Ich hoffe, dass unsere Überlegungen die Arbeiten im Labor inspirieren werden; mir ist bewusst, dass dieser, wie viele unserer Vorschläge, ein wenig seiner Zeit voraus sein mag", sagt David DiVincenzo, Direktor am Peter Grünberg-Institut des Forschungszentrums Jülich und Professor des JARA-Instituts für Quanteninformation an der RWTH Aachen. "Dennoch sehen wir angesichts der vorhandenen Expertise die Möglichkeit, unseren Vorschlag in absehbarer Zeit im Labor zu testen".

Die Ergebnisse der Arbeiten wurden am 17. Februar in Physical Review X veröffentlicht. Zur Orignalveröffentlichung: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011032

Weitere Details und Informationen:
Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich
Pressemitteilung RWTH Aachen University