Quantencomputer lernt fehlerfrei zu rechnen

Kompletter Bausatz von Forschern der Universität Innsbruck erstmals im Labor demonstriert

Manipulation logischer Quantenbits, die von Quantenfehlerkorrektur profitiert (Bild: uibk.ac.at)

Innsbruck (pte011/27.05.2022/10:30) - Forscher der Universität Innsbruck http://uibk.ac.at haben erstmals ein universelles Set von Rechenoperationen auf fehlertoleranten Quantenbits umgesetzt. Was kryptisch klingt, ist durchaus praxistauglich. Denn die Experimantalphysiker zeigen, wie sich ein Algorithmus auf einem Quantencomputer programmieren lässt, damit Fehler das Ergebnis nicht verfälschen.

Universeller Gattersatz

Die Experten haben ein Set von Rechenoperationen auf zwei logischen Quantenbits realisiert, mit dem jede mögliche Operation umgesetzt werden kann. "Für einen praxistauglichen Quantencomputer benötigen wir einen universellen Gattersatz, mit dem wir alle Algorithmen programmieren können", erklärt der Innsbrucker Experimentalphysiker Lukas Postler. Dieser Gattersatz wurde auf einem Ionenfallen-Quantencomputer mit 16 gefangenen Atomen umgesetzt.

Die Quanteninformation wurde dabei in zwei logischen Quantenbits gespeichert, die auf jeweils sieben Atome verteilt waren. Nun ist es erstmals gelungen, auf diesen fehlertoleranten Quantenbits zwei Rechengatter zu realisieren, die für einen universellen Gattersatz notwendig sind: eine Rechenoperation auf zwei Quantenbits (ein CNOT-Gatter) und ein logisches T-Gatter, welches auf fehlertoleranten Quantenbits besonders schwierig zu implementieren ist.

Umsetzung in die Praxis

Demonstriert haben die Physiker das T-Gatter, indem sie einen speziellen Zustand in einem logischen Quantenbit präpariert und diesen über eine verschränkte Gatteroperation auf ein weiteres Quantenbit teleportiert haben. Die Wissenschaftler haben Operationen auf den logischen Quantenbits so implementiert, dass auch Fehler, die durch die zugrundeliegenden physikalischen Operationen verursacht werden, erkannt und korrigiert werden können.

Ihre experimentellen Ergebnisse haben die Forscher auch mittels numerischer Simulationen auf klassischen Rechnern überprüft und bestätigt. Eigenen Angaben nach verfügen sie nun über alle Bausteine für fehlertolerantes Rechnen auf einem Quantencomputer. Jetzt gehe es darum, diese Methoden auf größeren und damit für die Praxis interessanten Quantenrechnern umzusetzen.

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