Quantencomputer: IBM meldet Meilenstein

Der Konzern hat einen Schaltkreis aus vier in einem quadratischen Gitter angeordneten Quantenbits mit Quantenfehlerkorrektur entwickelt. Auf diese Weise ist nun die gleichzeitige Erkennung von beiden systembedingten Fehlerarten möglich und lässt sich somit kontrollieren.

IBM hat laut eigenen Angaben bedeutende Fortschritt bei der Erforschung praxistauglicher Quantencomputer erzielt. Wissenschaftlern des IBM Thomas J. Watson Research Centers konnten einen Schaltkreis aus vier in einem quadratischen Gitter angeordneten Quantenbits entwickeln. In der aktuellen Ausgabe von Nature Communications erklären die Forscher, dass dieser der kleinsten vollständigen Einheit eines skalierbaren Quantencomputers mit Quantenfehlerkorrektur entspricht.

Erstmals können somit beide Arten von Quantenfehlern (Bit-flip- und Phase-flip-Fehler), die in Quantencomputern vorkommen können, erkannt und gemessen werden. Durch Wärme, elektromagnetische Strahlung oder Störstellen im Material lässt sich eine sogenannte Dekohärenz verursachen. Diese führt zu Rechenfehlern. Bislang konnten Forscher nur eine der beiden Fehlerarten bestimmen, nicht aber beide gleichzeitig. IBM zufolge lässt sich andernfalls der Bau eines funktionsfähigen Quantencomputers nicht realisieren.

Während ein Bit entweder den Zustand 1 oder 0 hat, kann ein Quantenbit beide Zustände zur gleichen Zeit annehmen. Forscher bezeichnen dies als Superposition oder als 0+1. Das Vorzeichen dieser sogenannten Superposition ist wichtig, da beide Zustände 0 und 1 Phasenbeziehung miteinander haben. Allerdings können im Superpositionszustand ein Bit-flip-Fehler, bei dem 0 und 1 vertauscht werden, sowie ein Phase-flip-Fehler auftreten, bei dem das Vorzeichen umgewandelt wird.

**IBM-Forscher haben vier supraleitende Qubits auf einem rund 1 cm² großen Chip in einem quadratischen Gitter verbunden (Bild: IBM).**

Mithilfe der Verteilung von vielen Qubits versuchen die Forscher Informationen länger zu erhalten, da sämtliche aktuellen Quantenbit-Technologien durch Wechselwirkung mit Materie und elektromagnetischer Strahlung ihre Information verlieren. Lassen sich die Wechselwirkungen zwischen direkt benachbarten physischen Qubits kontrollieren, lässt sich auch ein logisches Qubit kodieren. Es wird dadurch ausreichend stabil, um fehlerfreie Operationen durchzuführen.

Bereits vor drei Jahren haben es IBM-Forscher geschafft, mit einem “dreidimensionalen” supraleitenden Qubit (3D Qubit) die Quantenzustände der Qubits bis zu 100 Mikrosekunden zu erhalten. Das entsprach einer zwei- bis vierfachen Verbesserung gegenüber vorherigen Rekorden. Dafür mussten die Forscher Temperaturen dicht über dem absoluten Nullpunkt verwenden. Auf diese Weise hatten sie die Voraussetzungen geschaffen, um wirksame Fehlerkorrektursysteme einzusetzen – die sie nun entwickelten.

Dazu haben die IBM-Forscher vier supraleitende Quantenbits auf einem rund einen Quadratzentimeter großen Chip in einem quadratischen Gitter verbunden. Die Anordnung in einem Viereck ist wichtig – hintereinander liegende Qubits verhinderten bisher nämlich die gleichzeitige Erkennung beider möglicher Fehlerarten. Außerdem bietet sie den Vorteil, dass sich weitere Qubits vergleichsweise einfach anschließen lassen, was den Bau größerer Recheneinheiten ermöglicht.

**Infografik zur Quantenfehlerkorrektur (Bild: IBM)**

Schneller als aktuelle Supercomputer

Diese würden schnell eine derzeit nur schwer vorstellbare Rechenleistung entfalten: Ein Quantencomputer mit lediglich 50 logischen Qubits würde laut IBM jede Kombination aus Superrechnern der gegenwärtigen TOP-500-Liste übertreffen. Die sogenannten logischen Qubits sind durch Quantenfehlerkorrektur frei von Dekohärenz und werden durch mehrere physische Quibits codiert.

Zur Herstellung der Qubits lassen sich Standardverfahren der Silizium-Halbleitertechnologie einsetzen. Bei IBM geht man daher davon aus, dass sich die Quantenfehlerkorrektur auch in einem größeren Gitter aus Qubits demonstrieren lässt, sobald einige supraleitende Qubits verlässlich und in größerer Zahl gefertigt sowie mit niedriger Fehlerrate kontrolliert werden können.

“Quantencomputer haben das Potenzial, die computergestützten Wissenschaften zu transformieren”, sagt Arvind Krishna, Direktor von IBM Research. “Sie werden üblicherweise für die Kryptografie erforscht. Wir sehen jedoch auch ein bedeutendes Einsatzgebiet darin, bisher nicht lösbare Problemstellungen in der Physik oder Quantenchemie zu bearbeiten. Dies könnte etwa der Materialforschung oder Medikamentenentwicklung völlig neue Möglichkeiten eröffnen.”