Deutsche Forscher stellen Geschwindigkeitsrekord für Quantencomputer auf – mit 99,98 Prozent Präzision

In 6,8 Milliardstel Sekunden legt Licht gerade einmal rund zwei Meter zurück. Ein deutscher Quantenchip schafft in dieser Zeit bereits eine grundlegende Rechenoperation – mit mehr als 99,98 Prozent Genauigkeit. Der neue Quantencomputer-Geschwindigkeitsrekord betrifft ein einzelnes Qubit, den kleinsten Informationsträger eines Quantencomputers.

Wissenschaftler aus Jülich, Aachen und Köln haben dafür eine neue Steuerungsmethode entwickelt. Wie das Forschungszentrum Jülich mitteilte, verkürzt sie die Dauer einer Quantenoperation auf 6,8 Nanosekunden. Üblicherweise benötigen vergleichbare Operationen in supraleitenden Quantencomputern mehrere Dutzend Nanosekunden. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Communications.

Quantencomputer nutzen die besonderen Eigenschaften der Quantenphysik

Herkömmliche Computer rechnen mit Bits, die entweder den Wert null oder eins annehmen. Quantencomputer nutzen dagegen Qubits. Diese können sich in einer Überlagerung beider Zustände befinden. Dadurch eignen sich Quantencomputer unter anderem für die Simulation komplexer Moleküle und Materialien.

Die Steuerung solcher Qubits bleibt jedoch schwierig. Besonders supraleitende Qubits reagieren empfindlich auf ihre Umgebung. Zudem können die Mikrowellenimpulse, mit denen sie gesteuert werden, selbst Fehler verursachen. Das Problem verschärft sich bei höheren Geschwindigkeiten.

Starke Mikrowellenimpulse bringen Qubits aus dem Takt

Für extrem schnelle Rechenoperationen benötigen supraleitende Qubits besonders kurze und kräftige Mikrowellenimpulse. Diese können das Qubit allerdings in unerwünschte Energiezustände versetzen. Denn physikalisch besitzt es mehr als die beiden Zustände, die für Berechnungen vorgesehen sind.

Vergleichbar ist das mit einem Aufzug, der nur zwischen dem Erdgeschoss und dem ersten Stock fahren soll. Durch einen zu starken Steuerimpuls landet er jedoch mehrere Etagen höher. Bei Qubits können sogenannte Mehrphotonenübergänge solche Sprünge auslösen. Die dadurch entstehenden Fehler können über mehrere Rechenschritte bestehen bleiben und sogar die Quantenfehlerkorrektur beeinträchtigen.

Neue Steuerung reduziert unerwünschte Übergänge um mehr als Faktor 20

Yuan Gao und Rami Barends vom Peter-Grünberg-Institut entwickelten gemeinsam mit theoretischen Physikern um Felix Motzoi eine neue Steuerungsmethode namens R2D. Sie baut auf dem etablierten DRAG-Verfahren auf und unterdrückt gezielt jene Frequenzanteile der Mikrowellenimpulse, die unerwünschte Übergänge auslösen.

Die gewünschte Quantenoperation bleibt dabei erhalten. Gegenüber dem bisherigen Standardverfahren verringerte R2D die Wahrscheinlichkeit solcher Zustandswechsel um mehr als den Faktor 20. Gerade bei extrem kurzen Rechenschritten ermöglicht das eine deutlich präzisere Steuerung.

Zwei Quantenoperationen erreichen eine Genauigkeit von über 99,98 Prozent

Für die Experimente nutzten die Wissenschaftler ein einzelnes supraleitendes Transmon-Qubit aus der Helmholtz-Nano-Facility in Jülich. Sie testeten zwei grundlegende Rechenoperationen, sogenannte X- und X/2-Gatter. Beide verändern den Zustand eines Qubits, allerdings in unterschiedlichem Ausmaß.

Die Messungen ergaben:

• 6,8 Nanosekunden: So lange dauerte der Steuerimpuls für jede der beiden Operationen.
• 99,981 Prozent Genauigkeit: Diesen Wert erreichte das X-Gatter, das eine vollständige Zustandsdrehung um 180 Grad ausführt.
• 99,989 Prozent Genauigkeit: Diesen Wert erreichte das X/2-Gatter, das eine Zustandsdrehung um 90 Grad ausführt.
• Weniger als 0,002 Prozent: So gering blieb die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Übergänge in höhere Energiezustände pro Operation.

Die verbleibenden Fehler entstanden überwiegend durch den Verlust empfindlicher Quantenzustände. Eine längere Stabilität der Qubits könnte die Präzision daher weiter erhöhen.

Neue Messmethode erkennt Fehler im Millionstelbereich

Um derart seltene Fehler zuverlässig zu erfassen, entwickelten die Forscher zusätzlich das Messverfahren ALE (Amplified Leakage Error). Es verstärkt unerwünschte Zustandswechsel durch wiederholte Quantenoperationen und macht sie dadurch leichter messbar.

So lassen sich Fehlerraten bis in die Größenordnung von einem Millionstel bestimmen. Das erleichtert die Abstimmung der Steuerimpulse. Herkömmliche Messverfahren stoßen bei extrem niedrigen Fehlerraten dagegen zunehmend an ihre Grenzen.

Einsatz in größeren Quantencomputern bleibt offen

Bislang funktioniert die neue Steuerungsmethode nachweislich an einem einzelnen, isolierten Qubit. Größere Quantenprozessoren enthalten zahlreiche miteinander verbundene Qubits. Ihre Wechselwirkungen und mögliche gegenseitige Störungen stellen zusätzliche Anforderungen an die Steuerung.

Auch bei Operationen mit zwei Qubits muss sich R2D erst bewähren. Solche Gatter sind für viele Quantenalgorithmen unverzichtbar. Die schnelleren Einzel-Qubit-Operationen könnten künftig die Wartezeiten innerhalb komplexer Berechnungen verkürzen und dadurch weitere Fehler vermeiden.

Mit verbesserter Stabilität und präziserer Steuerung halten die Wissenschaftler langfristig sogar eine Genauigkeit von 99,999 Prozent für möglich. Experimentell erreicht wurden bislang 99,981 beziehungsweise 99,989 Prozent.

Kurz zusammengefasst:

• Geschwindigkeitsrekord: Deutsche Forscher haben grundlegende Quantenoperationen in nur 6,8 Nanosekunden ausgeführt – mit einer Genauigkeit von mehr als 99,98 Prozent.
• Weniger Fehler: Eine neue Steuerungsmethode reduziert unerwünschte Zustandswechsel gegenüber dem bisherigen Standardverfahren um mehr als den Faktor 20.
• Grenzen der Forschung: Die Methode wurde bislang nur an einem einzelnen Qubit getestet; ob sie auch in größeren Quantencomputern funktioniert, muss sich noch zeigen.

Übrigens: Während deutsche Forscher Quantenoperationen immer schneller machen, arbeitet ein Team aus Oxford daran, getrennte Quantencomputer miteinander zu verbinden. Mithilfe von Quantenteleportation gelangen bereits Rechenoperationen zwischen räumlich getrennten Qubits. Mehr dazu in unserem Artikel.

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