Neue Art von universellen Quantencomputern

Die Rechenleistung von Quantencomputern ist aktuell noch sehr gering. Sie zu steigern erweist sich derzeit noch als große Herausforderung.

Physiker der Universität Innsbruck präsentieren nun eine neue Architektur für einen universellen Quantencomputer, die solche Beschränkungen überwindet und in naher Zukunft die Basis für den Bau der nächsten Generation von Quantenrechnern sein könnte.

In einem Quantencomputer dienen Quantenbits (Qubits) als Recheneinheit und Speicher zugleich. Weil Quanteninformation nicht kopiert werden kann, lässt sich diese nicht wie beim klassischen Computer in einen Speicher auslagern. Aufgrund dieser Einschränkung müssen alle Qubits eines Quantencomputers miteinander wechselwirken können. Für den Bau leistungsstarker Quantencomputer stellt dies aktuell noch eine große Herausforderung dar. Diese Schwierigkeit hat der theoretische Physiker Wolfgang Lechner 2015 gemeinsam mit Philipp Hauke und Peter Zoller thematisiert und eine neue Architektur für einen Quantenrechner vorgeschlagen, die heute nach den Autoren benannte LHZ-Architektur. „Diese Architektur war ursprünglich für Optimierungsprobleme konzipiert“, erinnert sich Wolfgang Lechner vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Dabei haben wir die Architektur auf ein Minimum reduziert, um diese Optimierungsprobleme möglichst effizient lösen zu können.“ Die physikalischen Qubits repräsentieren in dieser Architektur nicht einzelne Bits, sondern stellen die relative Koordinierung zwischen den Bits dar. „Dadurch müssen nicht mehr alle Qubits miteinander wechselwirken“, erläutert Wolfgang Lechner. Mit seinem Team hat er nun gezeigt, dass dieses Parity-Konzept auch für einen universellen Quantencomputer taugt.

Komplexe Rechenoperationen werden vereinfacht

Parity-Rechner können wechselwirkende Gatteroperationen – also Rechenoperationen zwischen zwei oder mehreren Qubits – auf einem einzelnen Qubit ausführen. „Bereits existierende Quantencomputer setzen solche Operationen im Kleinen schon sehr gut um“, erklärt Michael Fellner aus dem Team von Wolfgang Lechner. „Mit der Zahl der Qubits wird es aber immer aufwändiger, diese wechselwirkenden Gatteroperationen zu implementieren.“ Die Innsbrucker Wissenschaftler zeigen nun in zwei Publikationen in Physical Review Letters und Physical Review A, dass Parity-Rechner zum Beispiel Quantenfouriertransformationen – ein grundlegender Baustein sehr vieler Quantenalgorithmen – mit deutlich weniger Rechenschritten und damit rascher ausführen können. „Durch die hohe Parallelität unserer Architektur kann etwa der bekannte Shor-Algorithmus zur Faktorisierung von Zahlen sehr effizient ausgeführt werden“, erläutert Fellner.

Zweistufige Fehlerkorrektur

Das neue Konzept bietet außerdem eine Hardware-effiziente Fehlerkorrektur. Weil Quantensysteme sehr empfindlich auf Störungen reagieren, müssen Quantenrechner Fehler laufend korrigieren. Für den Schutz der Quanteninformation müssen erhebliche Ressourcen aufgewendet werden, was die Zahl der notwendigen Qubits sehr stark in die Höhe treibt. „Unser Modell arbeitet mit einer zweistufigen Fehlerkorrektur, ein Typ von Fehlern (Bit-Flip-Fehler oder Phasenfehler) wird durch die verwendete Hardware unterbunden“, sagen Anette Messinger und Kilian Ender, ebenfalls Mitglieder des Innsbrucker Forschungsteams. Dafür gibt es bereits erste experimentelle Ansätze auf unterschiedlichen Plattformen. „Der andere Fehlertyp kann über die Software erkannt und korrigiert werden“, so Messinger und Ender. Damit ließe sich eine nächste Generation von universellen Quantencomputern mit überschaubarem Aufwand realisieren. Das von Wolfgang Lechner und Magdalena Hauser mitgegründete Spin-off-Unternehmen ParityQC arbeitet in Innsbruck bereits mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an möglichen Umsetzungen des neuen Modells.

Die Forschungen an der Universität Innsbruck wurden vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und Forschungsförderungsgesellschaft FFG finanziell gefördert.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Wolfgang Lechner
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
t +43 512 507 52232
e wolfgang.lechner@uibk.ac.at
w https://www.uibk.ac.at/th-physik/quantum-optimization/

Originalpublikation:

Universal Parity Quantum Computing. Michael Fellner, Anette Messinger, Kilian Ender, and Wolfgang Lechner. Phys. Rev. Lett. 129, 180503 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.180503
Applications of Universal Parity Quantum Computation. Michael Fellner, Anette Messinger, Kilian Ender, and Wolfgang Lechner, Phys. Rev. A 106, 042442 (2022)
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.106.042442

http://www.uibk.ac.at