Fehlertolerante Quanteninformatik
Aktuelle Entwicklungen in der Quantenphysik zeigen in eindrucksvoller Weise das technologische Potenzial dieses Forschungsbereichs. In der Quanteninformatik kann die eigenartige Logik der Quantenwelt ausgenutzt werden, um komplexe rechentechnische Problemstellungen mit einer noch nie da gewesenen Effizienz zu lösen. Die Verwirklichung eines Quantencomputers bleibt jedoch weiterhin eine Herausforderung, da diese fehleranfällig sind. Das EDIQIP-Projekt wurde daher vom Programm "Technologien für die Informationsgesellschaft" unterstützt, um den Einfluss von zufälligen Fehlern in Quantengattern, hervorgerufen durch Rauschen und statische Fehler, zu untersuchen. Logische Gatter, die auf Quantenbits basieren, der quantenmechanischen Entsprechung zu den traditionellen Bits, können leicht durch Wechselwirkungen mit der nicht kontrollierbaren Umgebung beeinflusst werden. Die Genauigkeit der Quanten-Informationsverarbeitung wird weiterhin durch das Vorhandensein restlicher statischer Wechselwirkungen zwischen den Quantenbits beeinflusst. Um die Quanteninformationsverarbeitung vor diesen unerwünschten Einflüssen zu schützen, wurden in den letzten Jahren wirksame Methoden zur Fehlerkorrektur entwickelt. Diese Methoden konzentrierten sich hauptsächlich auf die Dekohärenz, die durch parasitäre Wechselwirkungen von Quanteninformationsprozessoren mit seiner Umgebung verursacht werden. Die von den Partnern des EDIQIP-Projekts entwickelte Methode zur Fehlerkorrektur ist allgemeiner angelegt. Mit ihr ist zusätzlich die Korrektur von Fehlern durchführbar, die aufgrund der Wechselwirkung zweier Quantenbits hervorgerufen wurden. Sie basiert auf der wiederholten zufälligen Anwendung von Pauli-Operatoren auf alle Quantenbits, die verarbeitet werden müssen. Die sich hieraus ergebenden zufälligen Änderungen zusammen mit passenden kompensierenden Änderungen der Quantengatter bremsen die schnelle Abnahme der Fidelity des Gatters. Als Ergebnis kann durch diese Fehlerkorrektur, der Pauli-Random-Error-Correction (PAREC), die maximale Zeitdauer, in der eine verlässliche Quanten-Informationsverarbeitung möglich ist, deutlich gesteigert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der Fehlerkorrektur, welche auf dem Prinzip der Redundanz basieren, kommt die PAREC-Methode zudem ohne zusätzliche Qubits aus, da die verfügbaren Qubits in optimaler Weise verwendet werden.
