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Innsbruck (universität) - Die Quantenwelt ist sehr fragil. Fehlerkorrekturcodes helfen, Quanteninformation
vor Störungen zu schützen. Innsbrucker Quantenphysiker haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich
kodierte Bauteile wie Prozessor und Speicher miteinander verbunden werden können. Mit der in der Fachzeitschrift
Nature Communications präsentierten Methode kann ein Datenbus für Quantencomputer konstruiert werden.
Quantencomputer werden in Zukunft Rechenaufgaben bewältigen, an denen herkömmliche Computer scheitern.
Weil Objekte in der Quantenwelt aber sehr sensibel auf Störungen reagieren, sind der Umsetzung heute noch
Grenzen gesetzt. Obwohl die Systeme mit hohem Aufwand gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt werden,
können bisher im Labor nur kleine Protoypen für Quantencomputer gebaut werden. Die Fehleranfälligkeit
lässt sich reduzieren, indem die Quanteninformation nicht in einem einzelnen Quantenteilchen gespeichert,
sondern in einer größeren Anzahl an Quantenobjekten kodiert wird. Diese logischen Quantenbits sind gegenüber
Störungen unempfindlicher. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker viele verschiedene Fehlerkorrekturcodes
entwickelt und diese für unterschiedliche Aufgaben optimiert. Physiker Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel
vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und Nicolai Friis, nun am Institut für
Quantenoptik und Quanteninformation in Wien, haben ein Verfahren gefunden, mit dem Quanteninformation zwischen
unterschiedlichen, kodierten Systemen ausgetauscht werden kann.
Schnittstelle zwischen Prozessor und Speicher
Wie klassische Rechner kann auch der Quantencomputer der Zukunft aus unterschiedlichen Bauteilen bestehen.
Schon heute existieren im Labor erste Quantenprozessoren und Quantenspeicher. Für sie können unterschiedliche
Verfahren eingesetzt werden, um logische Quantenbits zu kodieren: für Quantenprozessoren zum Beispiel sogenannte
„Color“ Codes und für Quantenspeicher „Surface“ Codes. „Damit diese beiden Systeme quantenmechanisch miteinander
sprechen können, müssen sie verschränkt werden“, sagt Doktorand Hendrik Poulsen Nautrup. „Wir haben
ein Verfahren entwickelt, mit dem unterschiedlich kodierte Quantensysteme verbunden werden können.“ Dabei
handelt es sich um lokale Eingriffe an einzelnen Elementen des kodierten Quantenbits. Die Wissenschaftler sprechen
auch von „Gitterchirurgie“, mit der Systeme wie ein Quantenspeicher und ein Prozessor verschränkt werden können.
Nachdem die beiden Systeme vorübergehend miteinander „vernäht“ wurden, kann die Quanteninformation vom
Prozessor in den Speicher oder umgekehrt geladen werden. „Ähnlich wie ein Datenbus im klassischen Computer,
kann diese Methode verwendet werden, um die Bauteile eines Quantencomputers miteinander zu verbinden“, erläutert
Poulsen Nautrup.
Das neu entwickelte Verfahren soll demnächst im Labor umgesetzt werden und stellt einen weiteren Schritt auf
dem Weg zu einem universellen Quantencomputer dar. Die Arbeit entstand im Rahmen des Doktoratskolleg Atoms, Light,
and Molecules an der Universität Innsbruck und wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds und der
Templeton World Charity Foundation finanziell unterstützt.
Publikation: Fault-tolerant interface
between quantum memories and quantum processors. Hendrik Poulsen Nautrup, Nicolai Friis, and Hans J. Briegel. Nature
Communications 2017 DOI: 10.1038/s41467-017-01418-2
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