Quantencomputer nehmen zwar rasch an Größe und Potenzial zu, stehen aber vor einem entscheidenden Hindernis: Fehler. Da diese Maschinen immer leistungsfähiger werden, besteht die Gefahr, dass sie aufgrund der Fehlerquote unbrauchbar werden. Jetzt haben Forscher eine Methode zum Recyceln und Wiederverwenden von Qubits demonstriert, wodurch ihre Zuverlässigkeit verbessert und komplexe Berechnungen einfacher durchgeführt werden können.
Das Fehlerproblem im Quantencomputing
Bestehende Quantencomputer haben Probleme mit der Genauigkeit. Sie sind zu fehleranfällig für nützliche, realitätsnahe Berechnungen, die herkömmliche Computer übertreffen. Während sich Fehlerkorrekturschemata in der Entwicklung befinden, bleibt eine große Herausforderung bestehen: die Schaffung ausreichend hochwertiger Qubits, um sowohl die Berechnungen durchzuführen * als auch * diese Fehler zu verfolgen.
Der Standardansatz unterteilt Qubits in zwei Gruppen: diejenigen, die Daten manipulieren (die rechnerischen Qubits) und diejenigen, die Fehler überwachen (ancilla Qubits). Es ist schwierig, von beiden Arten genügend davon zu bauen. Eine neue Strategie konzentriert sich darauf, die Anzahl der benötigten Ancilla-Qubits durch wiederholte Wiederverwendung zu reduzieren.
Recycling-Methode von Atom Computing
Forscher von Atom Computing haben gezeigt, dass Ancilla-Qubits bis zu 41 Mal hintereinander recycelt werden können. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da komplexe Berechnungen viele Fehlerkorrekturrunden erfordern und andernfalls eine ständige Versorgung mit neuen Qubits erforderlich wäre. Das Team unter der Leitung von Matt Norcia erreichte dies mit Ytterbiumatomen, die mithilfe von Lasern und elektromagnetischen Impulsen auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden.
Sie organisierten ihren Quantencomputer in drei Zonen:
- Rechenzone: 128 Qubits führen die Berechnungen aus.
- Fehlerverfolgungszone: 80 Qubits messen und ersetzen fehlerhafte Qubits.
- Speicherzone: 75 Qubits werden in einem betriebsbereiten Zustand zur Wiederverwendung gehalten.
Dieser Aufbau ermöglicht es dem Team, zusätzliche Qubits zurückzusetzen oder sie bei Bedarf durch neue auszutauschen.
Herausforderungen und Präzisionskontrolle
Der Erfolg dieser Methode hängt von äußerster Präzision ab. Streulicht von Lasern kann die Funktion von Qubits stören. Deshalb entwickelten die Forscher eine fein abgestimmte Lasersteuerung und passten die Datenzustände von Qubits an, um unerwünschten Störungen zu widerstehen. Dieses Maß an Kontrolle ist von entscheidender Bedeutung, denn ohne es würden selbst bescheidene Berechnungen Millionen oder Milliarden von Qubits erfordern – ein unmöglicher Bedarf für aktuelle Hardware.
Weitergehende Implikationen für den Quantenfortschritt
Die Möglichkeit, Qubits wiederzuverwenden, ist nicht auf Atom Computing beschränkt. Yuval Boger von QuEra betont, dass diese Fähigkeit für den Fortschritt des Quantencomputings „von grundlegender Bedeutung“ ist. Andere Forscher, darunter die von Harvard und MIT, haben ähnliche Methoden mit Rubidiumatomen verwendet, um Quantenberechnungen stundenlang durchzuführen. Selbst ionenbasierte Quantencomputer wie die Helios-Maschine von Quantinuum können Qubits wiederverwenden.
„Die Wiederverwendung von Ancilla ist nicht mehr nur eine wünschenswerte Funktion; sie wird zu einer Notwendigkeit für die Skalierung des Quantencomputings“, sagt Norcia.
Dieser Durchbruch stellt einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zum Bau praktischer und zuverlässiger Quantencomputer dar, die in der Lage sind, Probleme zu lösen, die über die Möglichkeiten klassischer Maschinen hinausgehen.
