Forschende der ETH Zürich haben eine neuartige Methode zur Durchführung von Quantenoperationen entwickelt, die die Fehlerraten in Quantencomputern mit neutralen Atomen deutlich reduziert. Durch die Nutzung eines physikalischen Phänomens, das als geometrische Phase bekannt ist, schafft dieser neue Ansatz Swap-Gates, die weitaus stabiler sind als herkömmliche Methoden und bringt die Technologie näher an einen praktischen, groß angelegten Nutzen.
Die am 8. April in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse befassen sich mit einem der hartnäckigsten Engpässe im Quantencomputing: der extremen Anfälligkeit von Qubits für Fehler, die durch Umgebungsgeräusche und Hardware-Mängel verursacht werden.
Das Problem: Zerbrechlichkeit angesichts des Lärms
Quantencomputer beziehen ihre Leistung aus Qubits, die in einer Überlagerung von Zuständen (sowohl 0 als auch 1 gleichzeitig) existieren können. Um Berechnungen durchzuführen, verwenden diese Systeme Logikgatter, um Qubits zu manipulieren. Eine entscheidende Komponente ist das Swap-Gate, das die Zustände zweier Qubits austauscht und so die Weiterleitung von Informationen durch den Prozessor ermöglicht.
Aktuelle Methoden zur Erzeugung von Swap-Gates in Systemen mit neutralen Atomen sind jedoch äußerst empfindlich. Diese Systeme verwenden typischerweise Laser, um neutrale Atome (wie Kalium) an Ort und Stelle zu suspendieren und so ein optisches Gitter zu bilden. Herkömmliche Wechseltore basieren auf:
* Hocherregte elektronische Zustände.
* Atomkollisionen.
* Der Quantentunneleffekt.
Diese Techniken hängen stark vom genauen Timing und der Intensität der Laser ab. Selbst mikroskopische Schwankungen der Laserstärke oder des Timings können zu Fehlern führen und zum Ausfall des Gates führen. Diese Empfindlichkeit trägt zur hohen Fehlerrate aktueller Quantenbits bei – etwa 1 zu 1.000 – im Vergleich zur Fehlerrate 1 zu 1 Billion herkömmlicher Siliziumbits. Diese Diskrepanz verhindert, dass Quantencomputer so skaliert werden können, dass sie klassische Supercomputer übertreffen.
Die Lösung: Geometrie über Timing
Das Team der ETH Zürich unter der Leitung des Postdoktoranden Yann Hendrick Kiefer hat diese Schwachstellen durch die Nutzung der geometrischen Phase umgangen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen „dynamischen“ Gattern, die auf einer genauen Kontrolle der Energieniveaus, des Timings und der Laserintensität beruhen, basieren geometrische Gatter auf dem Weg, den das Quantensystem durch seinen Zustandsraum nimmt.
„Eine Manipulation dieser Wellenfunktion führt im Allgemeinen eine Phase auf der Wellenfunktion ein, die entweder dynamischen oder geometrischen Ursprungs sein kann“, erklärt Kiefer. „Der geometrische Ansatz funktioniert anders: Anstatt sich auf das genaue Timing oder die Kraft zu verlassen, hängt er hauptsächlich vom gesamten Weg ab, den das System vom Anfang bis zum Ende nimmt.“
In diesem Aufbau werden Zehntausende Kaliumatome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt und durch sich kreuzende Laserstrahlen an Ort und Stelle gehalten. Wenn zwei Atome so nah zusammengebracht werden, dass sich ihre Quantenwellen überlappen, ändert sich ihr kombinierter Zustand ausschließlich auf der Grundlage der Geometrie ihrer Bewegung. Da diese Änderung unabhängig davon ist, wie schnell sich die Atome bewegen oder wie intensiv die Laser sind, ist der Betrieb von Natur aus robust gegenüber experimentellem Rauschen.
Rekordverdächtige Präzision und Skalierung
Die praktischen Auswirkungen dieser Methode sind erheblich. Das Forschungsteam demonstrierte ein Swap-Gate mit den folgenden Leistungsmetriken:
* Präzision: Besser als 99,91 %.
* Geschwindigkeit: Funktioniert in weniger als einer Millisekunde.
* Maßstab: Erfolgreich angewendet auf 17.000 Qubit-Paare gleichzeitig.
Während supraleitende oder eingefangene Ionensysteme schnellere Gate-Geschwindigkeiten (im Submikrosekundenbereich) erreichen können, arbeiten sie typischerweise nur mit einer Handvoll Qubit-Paaren gleichzeitig. Die Methode der ETH Zürich bietet eine einzigartige Kombination aus hoher Wiedergabetreue und massiver Parallelität, die für den Bau großer Quantenprozessoren unerlässlich ist.
Implikationen für die Zukunft des Quantencomputings
Die Studie bestätigte auch die Schaffung von „Half-Swap“-Gattern, die für die Ausführung komplexer Quantenalgorithmen von entscheidender Bedeutung sind. Im Gegensatz zu einem vollständigen Austausch, der lediglich Informationen verschiebt, tauscht ein halber Austausch teilweise Zustände aus und erzeugt gleichzeitig eine Verschränkung – die einzigartige Korrelation zwischen Qubits, die Quantencomputern ihre exponentielle Rechenleistung verleiht.
Dieser Fortschritt stellt frühere Annahmen über die für das praktische Quantencomputing erforderlichen Ressourcen in Frage. In der Vergangenheit wurde angenommen, dass Millionen von Qubits erforderlich wären, um Algorithmen wie Shors Algorithmus auszuführen, der große Zahlen faktorisieren und die moderne Verschlüsselung unterbrechen kann. Jüngste Studien deuten jedoch darauf hin, dass solche Probleme mit Gates mit höherer Wiedergabetreue, wie sie von der ETH Zürich entwickelt wurden, möglicherweise mit nur 10.000 Qubits gelöst werden könnten.
Fazit
Während ein praktischer, fehlertoleranter Quantencomputer noch in Arbeit ist, stellt dieser geometrische Ansatz einen entscheidenden Schritt nach vorne dar. Durch die Entkopplung von Quantenoperationen vom Rauschen der Lasersteuerung haben Forscher einen Weg zu stabileren und skalierbaren Systemen geschaffen und damit den Traum vom leistungsstarken Quantencomputing langsam in die Realität umgesetzt.
