Zusammengesetzte Impulse sorgen für fehlerfreies Quantencomputing
Zur Erschließung ihres vollen Potenzials müssen Quantencomputer bestimmte Kriterien erfüllen: Sie müssen über eine entsprechend hohe Anzahl von Qubits verfügen und in der Lage sein, mit Fehlern umzugehen. Qubits sind ganz besonders fehleranfällig: Schon eine vorbeiziehende Radiowelle oder ein Lichtblitz reichen aus, um ihren Quantenzustand zu stören und in den Berechnungen eines Quantencomputers Chaos anzurichten. Mehr Genauigkeit in die Quantenberechnungen bringen Mit Unterstützung des EU-finanzierten Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiums führte das Projekt COPQE bahnbrechende Forschungsarbeiten zur Reduzierung der Störungen aus der Umgebung und zur Optimierung der Steuerung der Qubits durch. Neu bei diesem Projekt sind Entwicklungen für den Einsatz von zusammengesetzten Impulsen. Mit diesem Verfahren aus dem Bereich der Quantentechnik können alle bei der Quanteninformationsverarbeitung auftretenden Fehler korrigiert werden. Diese Fehlertoleranz wurde unter Einsatz der Quantenfehlerkorrektur erreicht, bei der Informationen redundant kodiert werden, wodurch eine Fehlererkennung ohne Zerstörung der Quantendaten ermöglicht wird. „Zusammengesetzte Impulse haben mehrere Vorteile: Sie verleihen den Qubits unabhängig von ihrem Ausgangszustand ein unglaubliches Maß an Steuerbarkeit, Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber dem Auftreten von Fehlern. Außerdem tragen sie dazu bei, durch hohe Wiedergabetreue gekennzeichnete Quantenzustände bei Qubits zu erzeugen, die in photonische Wellenleiter mit integrierten Defekten hineingeschickt werden“, sagt Projektkoordinatorin Dr. Elica Kyoseva. Zusammengesetzte Impulse zeigten einen vernachlässigbaren Verlust an Wiedergabetreue. Der Genauigkeitsgrad lag oberhalb der Grenze von 99,99 % für die Quanteninformationsverarbeitung, und das bei minimalem Impulsaufwand (die kleinste Sequenz enthielt nur zwei Impulse). Den Weg zum Quantencomputing ebnen Die im Rahmen von COPQE durchgeführte Forschung stärkt die Leistungsfähigkeit der integrierten Quantenphotonik beim Quantencomputing. Bei der Erforschung von Quantenphänomenen bildet die integrierte Quantenphotonik ein fundamentales Feld. Die Wissenschaft widmet sich der Erzeugung, Manipulation und Detektion von Licht in Systemen, in denen Photonen auf kohärente Weise gesteuert werden können. Da Photonen besonders attraktive Träger von Quanteninformationen sind, ist davon auszugehen, dass die Quantenphotonik auch bei Fortschritten in der Quanteninformationsverarbeitung eine zentrale Rolle spielen wird. „Die Projektergebnisse werden die Grundpfeiler für das Experimentieren mit verschiedenen Protokollen für die Quanteninformationsverarbeitung sein. Sie nähern außerdem das Quantencomputing mit hoher Wiedergabetreue in integrierten photonischen Schaltungen weiter der praktischen Realität an“, betont Dr. Kyoseva. Im Weiteren beschreibt sie, dass zusammengesetzte Impulse zunächst entwickelt wurden, um Schwankungen in der Stärke des antreibenden Schwingungsfeldes bei der Kernspinresonanz abzuschwächen. Seitdem haben sie aufgrund ihrer Robustheit gegenüber Fehlern großes Interesse im Zusammenhang mit dem Quantenengineering geweckt. Bislang sind jedoch in integrierten photonischen Systemen noch keine zusammengesetzten Impulse realisiert worden. Auswirkungen auf das Quantencomputing Da Quantencomputer im Gegensatz zu klassischen Computern, in denen Aufgaben auf sequentielle Weise ausgeführt werden, in der Lage sind, die Prozesse parallel laufen zu lassen, werden sie wesentlich schneller große Datenmengen analysieren und komplexe Optimierungsprobleme lösen können. „In den Quantencomputern steckt ein enormes Potenzial, bestehende Industriezweige völlig neu zu definieren. Dazu zählen Quantencomputing im Sicherheitsbereich, bei Finanzdienstleistungen, in der Wirkstoffentwicklung, in den Werkstoffwissenschaften, für Pharmazeutika und weitere Schwerindustrien, bei denen Daten zählen. Zu diesem Zweck wird viel Aufwand betrieben, um die Technik aus der Welt der Labore in die Realität zu holen. Das wichtigste Hindernis ist die extreme Empfindlichkeit der Quantensysteme gegenüber ihrer Umgebung, durch welche die Genauigkeit von Quantenoperationen erheblich verringert und Quantenberechnungen zerstört werden“, erläutert Dr. Kyoseva. Es muss noch viel wissenschaftlich geforscht und technisch experimentiert werden, um die Stabilität der Qubits zu verbessern. Die Reduzierung des Rauschens und die Optimierung der Fehlerbeherrschung in Hinsicht auf die Qubits ist ein bedeutender Schritt in diese Richtung. Die Projektmethoden zur Qubitsteuerung auf Basis von zusammengesetzten Impulsen sind für eine fehlerfreie Quanteninformationsverarbeitung von höchster Bedeutung.
Schlüsselbegriffe
COPQE, Qubits, Quanteninformationsverarbeitung, zusammengesetzte Impulse, Quantencomputing, Wiedergabetreue, integrierte Photonik, Hintergrundrauschen, Störungen aus der Umgebung, Fehlerkorrektur