Geringe Fehlerrate: Google kombiniert 49 Qubits zu einem stabileren Qubit
Auf dem Weg zum fehlerkorrigierten Quantencomputer experimentieren Google-Entwickler mit großen logischen Qubits – und übertrumpfen damit kleinere Qubit-Arrays.
Mit dem Quantenchip Sycamore in der dritten Generation gelang der Nachweis, dass Quantenfehlerkorrektur machbar ist.
(Bild: Google)
Damit Quantencomputer in der Zukunft relevante Probleme lösen können, beispielsweise zur Lösung logistischer Probleme, in der Chemie oder der Materialforschung, müssen sie Qubits mit geringen Fehlerraten einsetzen. Google hat nun Versuchsergebnisse mit logischen Qubits aus 49 physikalischen Qubits veröffentlicht, die eine Fehlerkorrektur ermöglichen. Die Entwickler belegen damit, dass ihr großes fehlerkorrigiertes, logisches Qubit tatsächlich eine geringere Fehlerrate aufweist als eine Variante aus lediglich 17 physikalischen Qubits.
Bei Googles Sycamore-Quantenchip der dritten Generation liegt die Fehlerrate der darauf arbeitenden Qubits zwischen 1/100 und 1/10.000 pro Rechenoperation (Gatter), verrät Hartmut Neven, Google-Vicepresident Engineering im Quantum-AI-Team, in seinem Blog. Um einmal relevante Industrieprobleme zu lösen, müssen dagegen Fehlerraten zwischen 1/10^6 und 1/10^9 erreicht werden. Das sei durch technische Verbesserungen der physikalischen Qubits allein nicht zu schaffen.
Größer ist besser
Generell sollten Fehlerkorrekturverfahren mehr Sicherheit bieten, je mehr redundante Daten sie einbinden. In seiner neuesten Veröffentlichung hat das Google-Team um Neven nun gezeigt, dass es logische Qubits aus 49 physikalischen Qubits aufbauen kann, die tatsächlich eine etwas bessere Fehlerrate zeigen als logische Qubits aus 17 physikalischen Qubits. Der neue Leistungssprung gelang aber nur knapp: In einer Berechnung mit 25 Schritten zeigte das große fehlerkorrigierte Qubit im Mittel eine Fehlerrate von 2,914 Prozent, während sein kleinerer Vorgänger in diesem Versuchsaufbau noch eine Fehlerrate von 3,028 Prozent aufwies.
Ein Problem ist, dass Qubits beim Auslesen ihren Wert verlieren. Um eine Quantenfehlerkorrektur (Quantum Error Correction, QEC) vorzunehmen, müssen Fehler also erkannt werden, ohne den Zustand der Qubits zu messen. Zum Aufbau eines logischen Qubits nutzten die Forscher daher gleichzeitig 25 Datenqubits, die alle den Inhalt des logischen Qubits repräsentieren, sowie 24 sogenannte Messqubits, die einen Unterschied zwischen je zwei Datenqubits registrieren, ohne deren konkrete Inhalte zu bestimmen. Auf diese Weise kann das System am Ende einer Berechnung den Wert des logischen Qubits aus einem kohärenten physikalischen Qubit auslesen.
Physikalische Fehlerrate noch zu hoch
Dass der Vorsprung des erweiterten logischen Qubits gegenüber seinem kleineren Vorläufer nur gering ist, erklärt Sundar Pichai, CEO von Google und dessen Mutterkonzern Alphabet damit, dass die Fehlerraten von physikalischen Qubits heute generell noch viel zu hoch seien. Trotzdem habe man zeigen können, dass QEC funktioniere.
Damit die QEC besser skaliere, müsse man die Kohärenz und Fehlertreue der physikalischen Qubits in allen Bereichen weiter verbessern, schreibt auch Neven. Dazu gehöre beispielsweise, äußere Einflüsse (Noise) auf den Quantenprozessor weiter einzuschränken und das Übersprechen zwischen physikalischen Qubits während des Parallelbetriebs zu verringern.
(agr)
