Zwischen herkömmlichen Computern und Quantencomputern liegt ein himmelweiter Unterschied, sowohl in der Leistungsfähigkeit, als auch in der Funktionsweise der beiden Systeme. So reagieren Quantencomputer beispielsweise äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse, was sie in ihre Anwendung auch so komplex macht: Es können sich immer wieder Fehler einschleichen, etwa wenn ein Quanten-Bit (Qubit) ungewollt seinen Zustand ändert.

In einem klassischen Computer entspräche das dem unerwünschten schalten eines Bits von 0 auf 1 oder umgekehrt. Dort können Fehler korrigiert werden, indem ein Bit mehrfach kopiert wird. Die Mehrheit der Kopien behält den richtigen Wert, auch wenn sich einzelne Fehler einschleichen. In der Quantenwelt ist das deutlich komplizierter, da sich Quanteninformation nicht kopieren lässt.

Durchbruch bei der Fehlerkorrektur

Ein Team von Physikern um Anton Zeilinger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien sowie um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China hat nun einen Mechanismus für Fehlerkorrektur in optischen Quantencomputern vorgestellt. Er basiert auf der Teleportation, also der Fernübertragung von Quanteninformation und kommt laut den Forschern einem regelrechten "Durchbruch gleich.

Bei der Quantenteleportation wird Information, die ein Quantenobjekt trägt, über beliebige Distanzen auf ein anderes Quantenobjekt übertragen – weshalb dieses Phänomen gerne mit dem "Beamen" aus der Science Fiction-Serie "Star Trek" verglichen wird. 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, wie sie im Fachjournal "Pnas" berichten.

Neun-Qubit-System aus drei Photonenpaaren

"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. 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.

Erster Schritt zu robusten Quantencomputern

"Mit unserem Experiment konnten wir die Qualität der Qubits signifikant erhöhen", sagt Zeilinger: "Das ist ein wichtiger erster 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. (red, APA, 7.9.2021)