Physikalisches Qubit samt Fehlerkorrektur

Forschende der JGU und der Universität Tokio konnten erstmalig ein logisches Qubit aus einem einzigen Lichtpuls erzeugen, das die Korrigierbarkeit von Fehlern bereits intrinsisch enthält.

Es hat sich viel getan bei den Quantencomputern: Die großen Player Google, IBM und Co. bieten bereits entsprechende Clouds an. Bei Problemen allerdings, bei denen Standardcomputer an ihre Grenzen stoßen, können auch Quantencomputer derzeit noch nicht helfen: Die verfügbare Menge an Qubits, also der kleinsten quantenphysikalischen Recheneinheiten, ist dafür noch zu gering. Einer der Gründe dafür liegt darin, dass sich die Qubits nicht eins zu eins nutzen lassen.

Während die Bits im klassischen Computer für die Informationsspeicherung die festen Werte von Null oder Eins annehmen, basieren Qubits auf Überlagerungen von Null und Eins, also gewissen Wahrscheinlichkeiten für diese Werte. Sie sind damit sehr fragil gegen äußere Einflüsse, sprich: Die gespeicherten Infos gehen leicht verloren. Um sicherzustellen, dass der Quantencomputer dennoch zuverlässige Rechenergebnisse liefert, setzt man auf Masse: Man schließt mehrere physikalische Qubits zu einem logischen Qubit zusammen. Fällt eines aus, bleibt die Information durch die anderen Qubits erhalten. Die große benötigte Anzahl an physikalischen Qubits ist eines der größten Hindernisse auf dem Weg zum praktischen Quantencomputer.

Photonischer Ansatz bietet Vorteile

Generell gibt es verschiedene Ansätze, um Quantencomputer zu realisieren. Die großen Konzerne setzen auf supraleitende Festkörpersysteme – die allerdings den Nachteil haben, dass sie nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt funktionieren. Anders dagegen der photonische Ansatz, er lässt sich bei Raumtemperatur realisieren. Als physikalische Qubits dienen üblicherweise einzelne Photonen, also Lichtteilchen, die per se bereits schneller sind als die Festkörper-Qubits, allerdings auch leichter verloren gehen. Um solche Qubit-Verluste sowie andere Fehler zu umgehen, werden ebenso wie beim supraleitenden Ansatz mehrere Ein-Photonen-Lichtpulse zu einem logischen Qubit gekoppelt.

Qubit mit intrinsischer Fehlerkorrektur

Eine weitere Möglichkeit, einen photonischen Quantencomputer zu realisieren, haben Forschende der Universität Tokio gemeinsam mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der tschechischen Palacký-Universität Olmütz nun erstmalig demonstriert. Statt eines einzelnen Photons nutzte das Team einen Lichtpuls, der gleich mehrere Photonen enthalten kann. „Dieser Laserpuls wurde in einen quantenoptischen Zustand gebracht, der die intrinsische Möglichkeit bietet, Fehler zu korrigieren“, erläutert Prof. Dr. Peter van Loock von der JGU. „Obwohl das System nur aus einem Laserpuls besteht und damit sehr klein ist, können Fehler im Prinzip sofort ausgemerzt werden.“

Es ist also überflüssig, über zahlreiche Lichtpulse jeweils einzelne Photonen als Qubits zu erzeugen und diese dann als logisches Qubit interagieren zu lassen. „Stattdessen reicht ein einziger Lichtpuls, um ein robustes logisches Qubit zu erhalten“, sagt van Loock. Anders ausgedrückt: In diesem System entspricht ein physikalisches Qubit bereits einem logischen Qubit – ein absolutes Novum. Das im Experiment an der Universität Tokio erzeugte logische Qubit hat noch keine ausreichende Qualität, um damit echte Fehlertoleranz zu erhalten. Das Prinzip der Umwandlung nicht universell korrigierbarer Qubits in korrigierbare mittels modernster quantenoptischer Methoden wurde dadurch aber nun eindeutig demonstriert.

Die Ergebnisse wurden kürzlich im renommierten Magazin Science veröffentlicht. Möglich wurden sie durch eine mittlerweile 20-jährige Kooperation der experimentellen Gruppe von Akira Furusawa in Japan und der Theorie-Gruppe von Peter van Loock in Deutschland, auf deren Ergebnissen die aktuellen Forschungen aufsetzen.

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_quantum_qubit_fehlerkorrektur.jpg
Optische Amplitudenverteilung innerhalb des erzeugten photonischen Laserpulses. Bereits der erste Schritt, das Generieren eines „Schrödinger-Katzen-Zustands“, das heißt einer Quantenüberlagerung zweier makroskopisch unterscheidbarer Zustände (weiße oder schwarze Katze), bedarf moderner quantenoptischer Methoden, wurde aber bereits zuvor demonstriert. Im aktuellen Experiment konnte die Überlagerung auf drei Zustände (weiße, graue oder schwarze Katze) erweitert werden. Der finale Lichtzustand nähert sich dadurch einem universell fehlerkorrigierbaren, logischen Quantenzustand an.
Abb./©: Peter van Loock

Weiterführende Links:
https://www.oqit.uni-mainz.de/ – Optical Quantum Information Theory an der JGU
http://www.nanoquine.iis.u-tokyo.ac.jp/en/archives/1235 – Mitteilung der Universität Tokio
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm9946 – Science Perspektive zum Originalbeitrag

Lesen Sie mehr:
https://presse.uni-mainz.de/quantenteleportation-fliegende-quantenbits-auf-knopf… – Pressemitteilung „Quantenteleportation: Fliegende Quantenbits auf Knopfdruck übertragen“ (15.08.2013)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Peter van Loock
Theoretische Quantenoptik und Quanteninformation
AG Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (Quantum)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel: +49 6131 39-23628
E-Mail: loock@uni-mainz.de
https://www.oqit.uni-mainz.de/members/peter-van-loock/

Originalpublikation:

Shunya Konno et al.
Logical states for fault-tolerant quantum computation with propagating light
Science, 18. Januar 2024
DOI: 10.1126/science.adk7560
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk7560

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