Einen funktionierenden Quantencomputer wird es nur mit Fehlerkorrektur geben. Denn die quantenphysikalischen Phänomene, die einem solchen Rechner Vorteile verschaffen, sind extrem empfindlich und daher fehleranfällig. Ein Team von Wiener und chinesischen Physikern hat nun im Fachjournal "PNAS" einen Mechanismus für Fehlerkorrektur in optischen Quantencomputern vorgestellt. Er basiert auf der Teleportation, also der Fernübertragung von Quanteninformation.

Fragile Zustände

Quantencomputer sollen einmal bestimmte Rechenaufgaben schneller lösen können als klassische Computer. Dabei macht man sich in seinen Informationseinheiten, den sogenannten Quantenbits (Qubits), verschiedene quantenphysikalische Zustände wie Verschränkung oder Überlagerung (Superposition) zunutze. Das ist bei allen Qubits so, einerlei auf welche Weise sie realisiert werden, etwa mit Ionen, Atomen, Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen.

Diese Quantenzustände sind äußerst fragil und reagieren empfindlich auf Umwelteinflüsse. Ändert ein Qubit aufgrund einer Störung seinen Zustand, können sich Fehler in die Berechnung einschleichen. Das Problem kennt man auch von klassischen Computern, wo ein Bit seinen Zustand ändern kann, also von 0 auf 1 oder umgekehrt springt. Dort lassen sich solche Fehler relativ einfach durch mehrfaches Kopieren und Vergleich erkennen und korrigieren. Im Quantencomputer geht dieser Weg grundsätzlich nicht: Dem "No-Cloning-Theorem" zufolge lassen sich Quantenbits nicht perfekt kopieren.

Vergleich mit Star Trek

Das Team um den Experimentalphysiker Anton Zeilinger von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und seinen chinesischen Kollegen Jian-Wei Pan haben nun einen praktikablen Fehlerkorrektur-Mechanismus für optische Quantencomputer experimentell realisiert. In einer Aussendung sprechen die Forscher von einem "Durchbruch".

Der Schlüssel dazu ist die sogenannte Quantenteleportation. Dabei wird Information, die ein Quantenobjekt trägt, über beliebige Distanzen auf ein anderes Quantenobjekt übertragen – weshalb dieses Phänomen oft mit dem "Beamen", dem fiktiven Materietransportsystem in der Science Fiction-Serie "Star Trek", verglichen wurde.

Fehler werden verworfen

Konkret fassen die Physiker neun physikalische Qubits zu einem virtuellen Qubit zusammen, sie bezeichnen dies als "logisches Qubit". In dieses System teleportieren sie die Information eines einzelnen Qubits. "So können wir erkennen, ob sich ein Fehler am Qubit ereignet hat, ohne dessen Zustand zu stören", erklärte Manuel Erhard vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW gegenüber der APA. Jene Ergebnisse, wo die Messung anzeigt, dass ein Fehler passiert ist, werden verworfen. "Aktiv korrigieren können wir einen Fehler noch nicht, das ist der nächste Schritt", so der Physiker.

Im Detail besteht das Neun-Qubit-System nur aus drei Photonenpaaren, die in komplizierte Verschränkungszustände gebracht werden. Dass die Forscher die Zahl an Qubits höher halten können als die Zahl der Photonen liegt daran, dass sie unterschiedliche Freiheitsgrade der Lichtteilchen verwenden, etwa ihre Polarisation und ihren Drehimpuls. So erhalten sie pro Photon drei Qubits, die sie unabhängig voneinander manipulieren können. Neben diesem zentralen Teil gibt es noch ein Photon, das die Information trägt, die gegen Fehler gesichert werden soll, und zwei Photonen für den eigentlichen Teleportationsprozess und die Kontrolle des Systems.

Signifikant erhöhte Qualität

Zeilinger betont in einer Aussendung, dass mit dem Mechanismus "die Qualität der Qubits signifikant erhöht" werde. Es sei dies ein wichtiger Schritt, um Quantencomputer robuster gegenüber Fehlern zu machen.

Künftig könnten die Berechnungen in einem Quantencomputer mit zahlreichen dieser "logischen Qubits", die aus einzelnen physikalischen Qubits bestehen, erfolgen. Grundsätzlich laufe der von ihnen entwickelte Fehlerkorrektur-Mechanismus auf allen physikalischen Plattformen, mit denen Quantencomputer realisiert werden können, er eigne sich aber besonders gut für optische Quantencomputer, sagte Erhard. (APA, 6.9.2021)