Supraleitender IC Neuer Schaltkreis ermöglicht mehr Qubits für Quantencomputer

Redakteur: Katharina Juschkat

Der Entwurf eines neuen supraleitenden Schaltkreises könnte Quantencomputer mit einer großen Zahl an Qubits ermöglichen. Der Schaltkreis, den Forscher der Universität Jülich entwickelt haben, schützt die Qubits vor Störungen.

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Ein Quantencomputer mit vielen Qubits könnte mit dem neuen Schaltkreis möglich werden.
Ein Quantencomputer mit vielen Qubits könnte mit dem neuen Schaltkreis möglich werden.
(Bild: ©Bartek Wróblewski - stock.adobe.com)

Quantencomputer haben das Potential, riesige Datenmengen in unglaublich schneller Zeit zu verarbeiten. Das liegt an den Quanteneffekten, die sie sich zunutze machen. Während ein digitaler Computer mit Bits rechnet, arbeitet ein Quantencomputer mit Qubits, die im Gegensatz zu den klassischen Bits nicht nur genau einen von zwei möglichen Zuständen annehmen können, sondern auch eine beliebige Überlagerung beider. Dadurch schaffen es Quantencomputer, mehrere Lösungswege gleichzeitig zu beschreiten.

In bisher konstruierten Quantencomputern kommen einige wenige Qubits zum Einsatz – Qubits sind störanfällig, was es schwer macht, einen Computer mit einer großen Zahl von Qubits zu bauen. Bisher verwendet man verschiedene aktive Korrekturverfahren, um die Störanfälligkeit in den Griff zu bekommen – jetzt haben Forscher um Prof. David DiVincenzo vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen zusammen mit Partnern von der Universität Basel und dem Qutech Delft einen Entwurf für einen Schaltkreis mit passiver Fehlerkorrektur vorgestellt. Eine solche Schaltung wäre schon von Natur aus gegen Störungen geschützt. Damit könnte der Bau eines Quantencomputers mit einer großen Zahl von Qubits erheblich einfacher werden.

Wie die aktive Fehlerkorrektur funktioniert

Um die Quanteninformation zuverlässig kodieren zu können, werden üblicherweise mehrere instabile Qubits zu einem sogenannten logischen Qubit kombiniert. Durch Quantenfehlerkorrektur-Codes, kurz QEC-Codes, wird es damit möglich, Fehler einzelner Qubits zu erkennen und anschließend zu beheben, sodass die Quanteninformation über längere Zeit erhalten bleibt.

Die Verfahren funktionieren im Prinzip ähnlich wie die aktive Geräuschunterdrückung bei Kopfhörern: In einem ersten Schritt wird eine eventuelle Störung erkannt. Im Anschluss daran wird eine korrigierende Operation ausgeführt, um die Störung zu beseitigen und die Information in ihrer ursprünglichen reinen Form wieder herzustellen.

Die Anwendung einer solchen aktiven Fehlerkorrektur in einem Quantencomputer ist jedoch sehr aufwändig. Typischerweise wird für jedes Qubit eine komplizierte Elektronik zur Fehlerkorrektur benötigt, was den Aufbau von Schaltungen mit vielen Qubits, wie sie für den Bau eines Quantencomputers erforderlich sind, erschwert.

Ein supraleitender Schaltkreis gegen Störungen

Eine Skizze des fehlertoleranten Schaltkreises.
Eine Skizze des fehlertoleranten Schaltkreises.
(Bild: Martin Rymarz et al., Phys Rev X (2021))

Der neue Entwurf für einen supraleitenden Schaltkreis besitzt dagegen eine Art eingebaute Fehlerkorrektur. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie schon von sich aus gegen Störungen aus der Umgebung geschützt und dennoch kontrollierbar ist. Das Konzept umgeht damit die Notwendigkeit einer aktiven Stabilisierung auf eine hochgradig Hardware-effiziente Weise und wäre daher ein vielversprechender Kandidat für einen zukünftigen Quantenprozessor, der über eine große Zahl von Qubits verfügt.

Martin Rymarz, Doktorand in der Gruppe von David DiVincenzo und Erstautor der Arbeit, erklärt: „Durch die Implementierung eines Gyrators – eines elektrischen Bauelements mit zwei Anschlüssen, das Strom an einem Anschluss mit Spannung am anderen koppelt – zwischen zwei supraleitenden Bauteilen könnten wir auf eine aktive Fehlererkennung und Stabilisierung verzichten: Wenn das Qubit gekühlt wird, ist es inhärent gegen gängige Arten von Rauschen geschützt.“

Prof. David DiVincenzo gilt als Pionier in der Entwicklung von Quantencomputern. Mit seinem Namen sind unter anderem die Kriterien verbunden, die ein Quantencomputer erfüllen muss, die so genannten „DiVincenzo Kriterien“. Seine neueste Überlegung zu den Schaltkreisen bezeichnet er zwar als „ein wenig seiner Zeit voraus“. Aber, so DiVincenzo: „Dennoch sehen wir angesichts der vorhandenen Expertise die Möglichkeit, unseren Vorschlag in absehbarer Zeit im Labor zu testen.“

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review X“ veröffentlicht.

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