Quantenprozessor zeigt Übergang von Chaos zu Ordnung durch wiederholte Prüfungen
Forschende in den Vereinigten Staaten haben auf einem IBM-Quantum-Heron-Prozessor mit 156 Qubits gezeigt, dass wiederholte Prüfungen und Rücksetzungen das Chaos unter Kontrolle bringen können – ein Mechanismus, der für fehlertolerante Quantencomputer nötig ist. Die in Nature Physics veröffentlichte Studie zeigt teilweise, wie Fehlerkorrektur in Echtzeit funktionieren könnte. Fehlertoleranz bedeutet, Fehler zu erkennen und zu beheben, während der Computer noch seine Berechnungen ausführt.
Warum Fehlerkorrektur wichtig ist
Heutige Quantencomputer sind kleine, begrenzte Prototypen. Qubits, die Grundeinheiten von Quantencomputern, können 1, 0 oder alles dazwischen sein (eine Superposition), bis sie gemessen werden. Daraus ergibt sich der exponentielle Gewinn an Rechenleistung. Qubits sind aber auch sehr empfindlich und werden leicht durch Wärme oder Bewegung gestört, weshalb Fehlerkorrektur so wichtig ist.
„Um einen fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen, müssen wir diese Prüfungen und Korrekturen nicht nur ein- oder zweimal, sondern unzählige Male während einer Berechnung durchführen“, sagt der Physiker Jedediah Pixley von der Rutgers University. „Dieses Experiment ist ein Meilenstein auf diesem Weg.“
Durchmischen gegen Kontrollieren
Das Team nutzte ein zweistufiges System, das sowohl Chaos erzeugen als auch korrigieren sollte. Es verband bis zu 100 Qubits gleichzeitig und richtete zwei abwechselnde Aufgaben ein: das Durchmischen (Scrambling), das Chaos im System verteilt, und das Kontrollieren, das Qubits bei Bedarf zurücksetzt.
„Die Herausforderung bestand nicht darin, ein Qubit einfach zu messen, sondern es wiederholt zu tun, während der Rest des Prozessors weiterarbeitete“, sagt die IBM-Physikerin Maika Takita. „Dieses Experiment zeigt, dass heutige Hardware Quantenoperationen, Messungen und Rücksetzungen tausendfach über ein großes System hinweg koordinieren kann.“
Ein scharfer Kipppunkt
Die Forschenden verschoben das Gleichgewicht zwischen Durchmischen und Zurücksetzen. Bei knapp 5.000 Qubit-Operationen und fast 5.000 Prüfungen und Rücksetzungen kehrte die Ordnung zurück, sobald Prüfungen und Rücksetzungen insgesamt mehr als die Hälfte der Operationen ausmachten. Mit mehr Qubits wurde der Kipppunkt in den Daten deutlicher, ein Beleg für einen echten Quantenphasenübergang, so wie Wasser einheitlich zu Eis wird.
„Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie zeigte, dass dies kein zufälliges Merkmal einer kleinen Schaltung war. Es war kollektives Verhalten, das im gesamten Quantensystem entstand“, sagt Haining Pan von der University of Florida. Justin Wilson von der Louisiana State University ergänzt: „Es war nicht offensichtlich, dass dieser Übergang zwischen Chaos und Kontrolle in der Quantenphysik Bestand haben würde, aber unsere Ergebnisse zeigen, dass er es tut.“
Die Autoren weisen darauf hin, dass das Prüf-und-Rücksetz-Schema mit komplexeren Regeln hochskaliert werden muss, um im echten Quantencomputing nützlich zu sein. Vorerst dient es als Belastungstest für Rückkopplungsschleifen, die Quantensysteme geordnet am Laufen halten. Mehr in unserem Bereich Technologie.