Neue Gatterstruktur: Bessere Quantengatter dank verschiedener Qubits
Die Genauigkeit (Fidelity) von Quantengattern ist ein zentrales Gütekriterium von Quantencomputern. Sie beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein solches Gatter, das eine Operation auf ein oder mehrere Qubits anwendet, das korrekte Ergebnis liefert. Forscher des Massachusetts Institute of Technology konnten mit einer neuen Architektur zuverlässigere Quantengatter bauen(öffnet im neuen Fenster) . Ihre Arbeit haben sie im Journal Physics Review X vorgestellt(öffnet im neuen Fenster) .
Dabei setzen sie auf sogenannte Fluxonium-Qubits, die erst 2022 vorgestellt wurden ( Paper bei Arxiv(öffnet im neuen Fenster) ). Sie haben längere Kohärenzzeiten als die für Quantencomputer mit vielen Qubits, etwa IBMs Quantenprozessor Eagle , sonst häufig verwendeten Transmons(öffnet im neuen Fenster) . Bei beiden handelt es sich um spezielle, supraleitende Schaltkreisstrukturen. Die Zustände der einzelnen Qubits werden allerdings durch umliegende Qubits und Umgebungseinflüsse gestört, sodass sie ihren anfangs gesetzten Wert nach einiger Zeit verlieren.
Wie Transmons lassen sich auch Fluxonium-Qubits mit Halbleitertechnik herstellen und haben eine deutlich längere Kohärenzzeit. Bislang machten allerdings 2-Qubit-Gatter Probleme, da die beiden Fluxonium-Qubits sich gegenseitig stören. Das Problem haben die MIT-Forscher gelöst, indem sie einen Transmon-Koppler dazwischen setzten. Praktischer Nebeneffekt: Die Resonanzfrequenz der Qubits ist einstellbar. Mit einem Controlled-Z-Gatter haben die Forscher eine Genauigkeit von 99,9 Prozent erreicht – mit Luft nach oben.
Denn die Forscher sehen noch weiteren Optimierungsspielraum. So erwarten sie, dass sich durch eine Optimierung der Schaltkreisstruktur die Genauigkeit weiter verbessern lässt. Interessante Randnotiz: Die Kontrollpulse, über die der Zustand der Qubits gesetzt wird, haben die Forscher mittels KI optimiert. Auch gehen sie davon aus, die Fluxmon-Transmon-Fluxmon-Struktur auf größere Chips skalieren zu können – und haben dafür gleich ein Start-up gegründet(öffnet im neuen Fenster) .
Auch mit Fehlerkorrektur ist Genauigkeit wichtig
Als wichtiger Baustein für Quantencomputer, die reale Probleme lösen, gilt die sogenannte Quantenfehlerkorrektur. Mit ihr konnte IBM 2023 erstmals auf einem Quantencomputer ein Problem schneller lösen als auf einem Supercomputer .
Auch hier spielt die Genauigkeit der Quantengatter eine Rolle: Je höher sie ist, desto weniger Qubits sind zur Fehlerkorrektur erforderlich. Bei zu geringer Genauigkeit bringt hilft zudem selbst die Korrektur irgendwann nicht mehr: Die Menge an benötigten Korrektur-Qubits steigt exponentiell in Abhängigkeit von der Genauigkeit.
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