Eine einzige zusätzliche Messung vor einer Rechenfolge reicht aus, um Fehler in Quantenbits mehr als zu halbieren. Das hat ein internationales Team um die Universität Regensburg gezeigt. Die durchschnittliche Fehlerrate sank dabei von etwa 0,14 Prozent auf 0,065 Prozent – eine Reduktion von rund 54 Prozent. Beteiligt waren neben Regensburg auch die Leiden University, die Norwegian University of Science and Technology (NTNU) sowie die Industriepartner Quantum Machines und Qolab. Die Experimente liefen am Israeli Quantum Computing Center, veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Applied Physics Reviews“.
Ein Qubit, kurz für Quantenbit, ist die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers. Anders als ein klassisches Bit, das nur 0 oder 1 speichert, kann ein Qubit dank der Gesetze der Quantenmechanik beide Zustände gleichzeitig annehmen – eine sogenannte Überlagerung. In der Studie bestand das Qubit aus einem winzigen supraleitenden Schaltkreis auf einem Chip, gesteuert über Mikrowellensignale im Gigahertz-Bereich.
Warum werden Quantenbits überhaupt instabil?
Schon kleinste Veränderungen in der Umgebung eines Qubits können dessen Eigenschaften stören. Im untersuchten Fall wechselte die sogenannte Resonanzfrequenz des Qubits unkontrolliert zwischen zwei bekannten Werten hin und her. Verursacht wird dieser Wechsel durch Wechselwirkungen mit winzigen Materialdefekten im Chip. Die Forschenden vergleichen das Phänomen mit einem verstimmten Musikinstrument: Dieselbe Fingerbewegung erzeugt plötzlich nicht mehr den gewünschten Ton. Beim Qubit bedeutet das: Dieselben Steuersignale treffen nicht mehr exakt den richtigen Zustand, und Rechenfehler werden wahrscheinlicher.
Wichtig dabei: Die beiden Frequenzen stehen nicht für unterschiedliche Rechenergebnisse, sondern für zwei physikalische Betriebsmodi desselben Systems. Das Qubit bleibt in beiden Fällen voll funktionsfähig – nur die passende Steuerung unterscheidet sich. Bislang war es schwierig festzustellen, welche der beiden Frequenzen gerade aktiv ist, und die Steuerung entsprechend nachzujustieren.
Wie funktioniert die neue Messmethode?
Genau hier setzt der neue Ansatz an. Vor einer Serie von Rechenoperationen versetzen die Forschenden das Qubit kurz in eine Überlagerung von 0 und 1 und lassen es sich selbst überlassen. Wie sich dieser Zustand in der kurzen Zeit entwickelt, hängt davon ab, welche Frequenz gerade aktiv ist. Eine anschließende Messung verrät, um welche der beiden Möglichkeiten es sich handelt. Das Ergebnis fließt sofort in die folgenden Steuersignale ein – ein Prinzip, das in der Technik als Feedback bezeichnet wird, also als Rückkopplung von Messdaten in die laufende Steuerung.
Frühere Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass sich die beiden Frequenzen unterscheiden lassen. Neu ist, dass die Information in Echtzeit genutzt wird, um die Steuerung sofort anzupassen. Die Messdaten wurden dafür unmittelbar verarbeitet, sodass keine Verzögerung zwischen Messung und Korrektur entstand.
Wie groß ist der Effekt in der Praxis?
Ohne diese Zusatzmessung schwankte die Rechenqualität des Qubits im Zeitverlauf deutlich. Mit aktiviertem Feedback arbeitete es dagegen durchgehend mit hoher Genauigkeit. Die zentralen Zahlen aus dem Experiment:
- Fehlerrate ohne Feedback: im Mittel etwa 0,14 Prozent
- Fehlerrate mit Feedback: im Mittel etwa 0,065 Prozent
- Reduktion im Durchschnitt: rund 54 Prozent
- Reduktion bei den größten gemessenen Fehlerwerten ohne Feedback: bis zu 77 Prozent
Der Clou liegt in der Einfachheit: Es braucht keine neue Hardware, sondern lediglich eine zusätzliche Messung, die direkt in die bestehende Steuerung einfließt.
Wo liegen die Grenzen der Methode?
Das Verfahren funktioniert derzeit nur unter bestimmten Bedingungen. Die möglichen Frequenzen müssen vorab bekannt sein und sich ausreichend voneinander unterscheiden. Außerdem muss die Frequenz lange genug stabil bleiben, damit die angepassten Steuersignale überhaupt wirken können.
"Auf den ersten Blick erscheint der praktische Vorteil unserer Methode beschränkt"
— Ferdinand Kuemmeth, Professor für Experimentelle Physik, Universität Regensburg
Kuemmeth leitete die Studie und ist zugleich außerordentlicher Professor am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen. Er verweist darauf, dass sich der Zustandsraum einer Quantenrechnung mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt – die Stabilisierung einzelner, schwankender Qubits könne deshalb in der Summe einen großen Unterschied machen.
"Ich bin überzeugt, dass unsere Methoden während der Skalierung von Quantencomputern sehr wertvoll sein werden und die tatsächliche Rechenleistung von Quantencomputern spürbar erhöhen werden. Tatsächlich haben wir bereits Verfahren entwickelt, um die zunächst unbekannten Qubit-Frequenzen automatisch und effizient zu ermitteln"
— Ferdinand Kuemmeth, Universität Regensburg
Fabrizio Berritta, der die Quantencomputer-Hardware am Israeli Quantum Computing Center von seinem Büro am Massachusetts Institute of Technology (MIT) aus fernsteuerte, ordnet den Befund größer ein:
"Es wird immer deutlicher, dass der wirtschaftliche Nutzen von Quantencomputern davon abhängt, heutige Systeme auf deutlich größere Qubit-Zahlen zu skalieren, ohne dabei Leistung und Steuerungsgenauigkeit zu beeinträchtigen. Genau deshalb wird eine effiziente, autonome und echtzeitfähige Qubit-Steuerung wichtiger denn je"
— Fabrizio Berritta, Marie-Skłodowska-Curie-Postdoktorand, Universität Regensburg
Berritta forscht im Rahmen des QuARTEC-Projekts an der Universität Regensburg und derzeit in der Engineering Quantum Systems Group am MIT. Die Forschenden sehen in ihrem Ansatz ein Werkzeug, um die Folgen unvermeidbarer Materialdefekte in künftigen Quantenprozessoren zu mindern und die Stabilisierung von Qubits zu automatisieren – ein Baustein auf dem Weg zu größeren, verlässlicheren Quantencomputern.
