Universität Regensburg: Eine Zusatzmessung halbiert Fehlerrate von Quantenbits

Eine zusätzliche Messung kurz vor einer Rechenoperation kann die Fehlerrate eines Quantenbits mehr als halbieren. Das zeigt ein Team um Ferdinand Kuemmeth von der Universität Regensburg gemeinsam mit internationalen Partnern in einer aktuellen Studie. In Experimenten sank die durchschnittliche Fehlerrate von rund 0,14 Prozent auf etwa 0,065 Prozent – eine Reduktion von etwa 54 Prozent. Verglichen mit dem größten gemessenen Fehler ohne diese Methode betrug die Verbesserung sogar 77 Prozent. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Applied Physics Reviews erschienen.

Ein Quantenbit, kurz Qubit, ist die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers – vergleichbar mit dem Bit eines gewöhnlichen Computers, das entweder 0 oder 1 speichert. Ein Qubit dagegen nutzt Gesetze der Quantenmechanik und kann dadurch wesentlich komplexere Rechenaufgaben lösen als klassische Bits. Das Problem: Qubits reagieren extrem empfindlich auf kleinste Störungen aus ihrer Umgebung, was Rechenfehler verursacht. Genau hier setzt die neue Methode an.

Warum verstimmen sich Quantenbits von selbst?

Im untersuchten Fall bestand das Qubit aus einem winzigen supraleitenden Schaltkreis auf einem Chip, der über Mikrowellensignale gesteuert wird. Problematisch war, dass die sogenannte Resonanzfrequenz dieses Qubits unkontrolliert zwischen zwei bekannten Werten hin- und herspringen konnte. Diese Frequenz bestimmt, mit welchen Mikrowellensignalen sich das Qubit präzise steuern lässt. Springt sie um, passen die bisherigen Steuersignale nicht mehr exakt – ähnlich wie bei einem leicht verstimmten Musikinstrument, bei dem dieselbe Fingerbewegung nicht mehr den beabsichtigten Ton erzeugt. Die Ursache für dieses Springen liegt in Wechselwirkungen zwischen dem Qubit und winzigen Materialfehlern im Chip.

Wichtig ist dabei: Die beiden Frequenzen stellen keine unterschiedlichen Rechenzustände dar, sondern zwei mögliche Eigenschaften desselben physikalischen Bauteils. Das Qubit kann bei beiden Frequenzen weiterhin die für die Rechnung nötigen Quantenzustände einnehmen. Die eigentliche Schwierigkeit bestand bislang darin, in Echtzeit herauszufinden, welche der beiden Frequenzen gerade aktiv ist, um die Steuersignale entsprechend anzupassen.

Wie funktioniert die neue Messmethode?

Die Regensburger Gruppe entwickelte dafür eine Technik, die vor einer Serie von Rechenoperationen schnell klärt, welche Frequenz gerade vorliegt. Der Ablauf lässt sich in wenigen Schritten zusammenfassen:

Dieses Prinzip, bei dem eine Messung direkt in die Steuerung des Systems zurückgespielt wird, heißt Feedback oder Rückkopplung. Dass sich die beiden Frequenzen grundsätzlich unterscheiden lassen, war laut den Forschenden bereits aus früheren Arbeiten bekannt. Neu ist, dass diese Information jetzt in Echtzeit genutzt wird, um die Steuerung sofort zu optimieren.

Was bedeutet das für künftige Quantencomputer?

Die Experimente liefen an einem supraleitenden Quantenschaltkreis im israelischen Quantum Computing Center, wobei die Messdaten in Echtzeit verarbeitet wurden. Ohne die Zusatzmessung schwankte die Qualität der Quantenoperationen über die Zeit deutlich. Mit aktivierter Rückkopplung blieb die Leistung des Qubits dagegen durchgehend auf hohem Niveau.

Die Methode funktioniert bislang nur unter bestimmten Bedingungen: Die möglichen Frequenzen müssen vorab bekannt sein und sich ausreichend voneinander unterscheiden, zudem muss die Frequenz lange genug stabil bleiben, damit die angepassten Steuersignale überhaupt wirken können. Dennoch sehen die Forschenden darin einen wichtigen Schritt, da bereits eine einzige zusätzliche Messung die Zuverlässigkeit eines Qubits spürbar erhöht.

Kuemmeth verweist jedoch auf die künftige Entwicklung: Je sauberer Quantenmaterialien werden, desto mehr nahezu perfekte Qubits müssten gleichzeitig betrieben werden – einige davon würden dennoch mit verbleibenden Materialfehlern wechselwirken. Für dieses Stadium der Skalierung hält er die entwickelte Methode für sehr wertvoll, da sie einen messbaren Einfluss auf die tatsächliche Rechenleistung künftiger Quantencomputer haben könnte. Nach eigenen Angaben hat das Team bereits Methoden entwickelt, um unbekannte Qubit-Frequenzen automatisch und effizient zu erkennen.

Auch Fabrizio Berritta, der die Hardware im israelischen Quantum Computing Center von seinem Büro am Massachusetts Institute of Technology (MIT) aus fernsteuerte, betont die praktische Bedeutung für die Kommerzialisierung: Der wirtschaftliche Wert von Quantencomputern hänge davon ab, heutige Systeme auf deutlich größere Qubit-Zahlen zu skalieren, ohne dabei an Leistung und Steuergenauigkeit einzubüßen. Genau deshalb gewinne eine effiziente, autonome Echtzeit-Steuerung von Qubits zunehmend an Bedeutung.

An der Studie waren neben der Universität Regensburg auch die Universität Leiden und die Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) beteiligt, als Industriepartner wirkten Quantum Machines und Qolab mit. Die Forschenden betrachten ihren Ansatz als vielversprechenden Weg, um die Auswirkungen unvermeidbarer Materialfehler in künftigen Quantenprozessoren abzufedern, die Stabilisierung von Qubits zu automatisieren und damit die Skalierung von Quantencomputern zu erleichtern.

Einschätzung: Der Befund wirkt zunächst wie ein kleiner technischer Kniff, der aber ein grundlegendes Problem adressiert: Je mehr Qubits ein Quantencomputer enthält, desto wahrscheinlicher treffen einzelne davon auf Materialfehler. Eine automatisierte, blitzschnelle Korrektur einzelner fehleranfälliger Bauteile könnte sich damit als notwendiger Baustein erweisen, sobald Quantenprozessoren auf viele tausend oder gar Millionen Qubits anwachsen.