Eine einzige Messung macht Quantenbits zuverlässiger

Forschende der Universität Regensburg und ihre internationalen Partner haben einen Weg gefunden, Fehler in Quantenbits deutlich zu reduzieren. In einem Experiment konnten sie zeigen, dass bereits eine einzige zusätzliche Messung vor einer Folge von Quantenoperationen ausreicht, um die Fehlerrate um mehr als die Hälfte zu senken. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Applied Physics Reviews“ veröffentlicht.

Quantencomputer gelten als vielversprechende Technologie, um Probleme zu lösen, die heutige Computer an ihre Grenzen bringen. Eine ihrer größten Herausforderungen besteht allerdings darin, dass ihre grundlegenden Bausteine, die sogenannten Quantenbits, äußerst empfindlich auf Störungen reagieren.

Ein Quantenbit, meist Qubit genannt, ist die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers und erfüllt eine ähnliche Funktion wie ein Bit in einem klassischen Computer. Während klassische Bits Informationen nur als 0 oder 1 speichern, werden Qubits durch physikalische Systeme realisiert, die den Gesetzen der Quantenmechanik folgen und u. a. auch Überlagerungszustände von 0 und 1 zulassen. In der vorliegenden Studie bestand das Qubit aus einem winzigen supraleitenden elektrischen Schaltkreis auf einem Chip. Der Energieunterschied zwischen den Zuständen 0 und 1 entsprach einer Resonanzfrequenz von einigen Gigahertz, sodass das Qubit mithilfe von Mikrowellensignalen gesteuert werden konnte.

Wenn sich ein Qubit verstimmt

Schon kleinste Veränderungen in der Umgebung eines Qubits können dessen Eigenschaften verändern und Fehler verursachen. Die Forschenden untersuchten ein supraleitendes Qubit, dessen Resonanzfrequenz unkontrolliert zwischen zwei bekannten Werten wechselte. Da die Frequenz aber bestimmt, mit welchen Mikrowellensignalen sich das Qubit besonders präzise steuern lässt, müssen die Steuersignale entsprechend angepasst werden.

Das lässt sich anschaulich mit einem Musikinstrument vergleichen: Ist ein Instrument verstimmt, erzeugen dieselben Bewegungen nicht mehr exakt die gewünschten Töne. Ähnlich verhält es sich bei einem Qubit. Verschiebt sich dessen Resonanzfrequenz, verlieren die Steuersignale an Präzision und die Wahrscheinlichkeit von Rechenfehlern steigt.

Wichtig ist dabei: Die beiden Frequenzen entsprechen nicht unterschiedlichen Rechenzuständen des Qubits. Vielmehr handelt es sich um zwei mögliche physikalische Betriebsmodi desselben Quantensystems. Das Qubit kann bei beiden Frequenzen weiterhin die für Quantenberechnungen notwendigen Quantenzustände einnehmen.

Verursacht wird der Frequenzwechsel durch Wechselwirkungen zwischen dem Qubit und winzigen Materialdefekten. Obwohl die beiden möglichen Frequenzen bekannt waren, blieb es bislang schwierig festzustellen, welche von ihnen in einem bestimmten Moment aktiv ist und wie die Steuerung entsprechend angepasst werden muss.

Ein schneller Frequenzcheck vor der Berechnung

Genau hier setzt die neue Methode an. Die Forschenden entwickelten ein Verfahren, mit dem sich vor einer Reihe von Quantenoperationen feststellen lässt, welche Resonanzfrequenz gerade aktiv ist.

Dazu wird das Qubit zunächst in eine quantenmechanische Überlagerung von 0 und 1 versetzt und für kurze Zeit sich selbst überlassen. Wie sich dieser Zustand entwickelt, hängt von der jeweils aktiven Resonanzfrequenz ab. Deshalb liefert eine anschließende Messung die notwendige Information, um zwischen den beiden Möglichkeiten zu unterscheiden.

Das Ergebnis wird sofort genutzt, um die nachfolgenden Steuersignale anzupassen. Dieser Ansatz wird als Feedback bezeichnet, weil Informationen aus einer Messung direkt in die Steuerung des Systems zurückfließen.

Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass sich die beiden möglichen Frequenzen eines solchen Qubits unterscheiden lassen. Die neue Arbeit geht jedoch einen entscheidenden Schritt weiter: Die gewonnenen Informationen werden in Echtzeit genutzt, um die Steuerung des Qubits zu optimieren und Fehler zu reduzieren.

Fehlerrate um mehr als die Hälfte reduziert

Die Experimente wurden mit einem supraleitenden Quantenschaltkreis am Israeli Quantum Computing Center (externer Link, öffnet neues Fenster) durchgeführt. Die Messdaten wurden in Echtzeit verarbeitet, sodass die Steuersignale unmittelbar angepasst werden konnten.

Um die Wirksamkeit der Methode zu bewerten, verglichen die Forschenden die Leistung des Qubits mit und ohne Feedback. Ohne Anpassung schwankte die Qualität der Quantenrechnungen im Verlauf der Zeit deutlich. Mit aktiviertem Feedback arbeitete das Qubit dagegen konstant mit hoher Genauigkeit.

Die durchschnittliche Fehlerrate sank dabei von etwa 0,14 Prozent auf 0,065 Prozent. Das entspricht einer Reduktion von rund 54 Prozent. Im Vergleich zu den größten Fehlerwerten ohne Feedback betrug die Verringerung sogar 77 Prozent.

Auf dem Weg zu zuverlässigeren Quantencomputern

Derzeit funktioniert das Verfahren nur unter bestimmten Bedingungen. So müssen die möglichen Frequenzen im Voraus bekannt sein und sich ausreichend voneinander unterscheiden. Außerdem muss die Frequenz lange genug stabil bleiben, damit die angepassten Steuersignale ihre Wirkung entfalten können. Dennoch zeigt die Studie, dass bereits eine einzige zusätzliche Messung die Zuverlässigkeit eines Qubits erheblich verbessern kann.

„Auf den ersten Blick erscheint der praktische Vorteil unserer Methode beschränkt“, sagt Ferdinand Kuemmeth. Weil sich der Zustandsraum einer Quantenrechnung aber mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt, kann die Stabilisierung einzelner fluktuierender Qubits am Ende einen großen Unterschied machen. „Ich bin überzeugt, dass unsere Methoden während der Skalierung von Quantencomputern sehr wertvoll sein werden und die tatsächliche Rechenleistung von Quantencomputern spürbar erhöhen werden. Tatsächlich haben wir bereits Verfahren entwickelt, um die zunächst unbekannten Qubit-Frequenzen automatisch und effizient zu ermitteln“, so Kuemmeth. Er ist Professor für Experimentelle Physik an der Universität Regensburg und außerordentlicher Professor am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen und leitete die Studie. In seiner Forschung arbeitet er an verschiedenen supraleitenden und halbleiterbasierten Qubits mit unterschiedlichen Fehlerquellen.

Die Forschenden sehen darin einen vielversprechenden Ansatz, um die Auswirkungen unvermeidbarer Materialdefekte in zukünftigen Quantenprozessoren zu verringern, die Stabilisierung von Qubits zu automatisieren und somit die weitere Skalierung von Quantencomputern zu erleichtern.

„Es wird immer deutlicher, dass der wirtschaftliche Nutzen von Quantencomputern davon abhängt, heutige Systeme auf deutlich größere Qubit-Zahlen zu skalieren, ohne dabei Leistung und Steuerungsgenauigkeit zu beeinträchtigen. Genau deshalb wird eine effiziente, autonome und echtzeitfähige Qubit-Steuerung wichtiger denn je“, sagt Fabrizio Berritta, der die Quantencomputer-Hardware am Israeli Quantum Computing Center von seinem Büro am Massachusetts Institute of Technology (MIT) aus fernsteuerte. Er ist Marie-Skłodowska-Curie-Postdoktorand an der Universität Regensburg im Rahmen des QuARTEC-Projekts und forscht derzeit in der Engineering Quantum Systems Group am MIT.

An der Studie beteiligt waren Forschende der Universität Regensburg, der Leiden University sowie der Norwegian University of Science and Technology (NTNU) beteiligt. Zu den Industriepartnern zählten Quantum Machines und Qolab.

Publikation

Operating a Bistable Qubit von Fabrizio Berritta, Ferdinand Kuemmeth und Kolleginnen und Kollegen, erschienen in Applied Physics Reviews im Rahmen des Schwerpunktthemas Materials for Superconducting Quantum Devices.

https://doi.org/10.1063/5.0340790 (externer Link, öffnet neues Fenster)