Eine neue Studie am MIT schlägt einen neuen Weg zu einer effizienteren Fehlerkorrektur vor, der dazu beitragen könne, Quantencomputer und Sensoren anwendbarer zu machen.
In den Labors auf der ganzen Welt laufen die Bemühungen um die Entwicklung neuer Rechen- und Sensorgeräte, die nach den Prinzipien der Quantenmechanik arbeiten und dramatische Vorteile gegenüber ihren klassischen Gegenstücken bieten könnten.
Aber diese Technologien stehen noch vor mehreren Herausforderungen, und eine der wichtigsten ist der Umgang mit “Rauschen” – zufällige Schwankungen, die die in solchen Geräten gespeicherten Daten auslöschen können: Jitters.
Ein neuer Ansatz, der von Forschern am MIT entwickelt wurde, könnte einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenfehlerkorrektur darstellen.
Die Methode beinhaltet eine Feinabstimmung des Systems, um die Arten von Rauschen, die am wahrscheinlichsten sind, zu behandeln, anstatt ein breites Netz auszuwerfen, um zu versuchen, alle möglichen Störungsquellen aufzufangen.
Die Analyse wird in der Zeitschrift Physical Review Letters beschrieben, in einem Beitrag des MIT-Absolventen David Layden, des Postdocs Mo Chen und der Professorin für Nuklearwissenschaften und -technik Paola Cappellaro.
“Die Hauptprobleme, mit denen wir bei der Entwicklung von Quantentechnologien konfrontiert sind, sind, dass die derzeitigen Systeme klein und verrauscht sind”, sagt Layden. Rauschen, d.h. unerwünschte Störungen jeglicher Art, ist besonders ärgerlich, weil viele Quantensysteme von Natur aus hoch empfindlich sind, ein Merkmal, das einigen ihrer potenziellen Anwendungen zugrunde liegt.
Und es gibt noch ein weiteres Problem, sagt Layden, nämlich dass Quantensysteme von jeder Beobachtung betroffen sind. Während man also feststellen kann, dass ein klassisches System driftet, und eine Korrektur anwenden kann, um es zurückzustoßen, sind die Dinge in der Quantenwelt komplizierter. “Das wirklich Komplizierte an Quantensystemen ist, dass man, wenn man sie betrachtet, dazu neigt, sie zusammenfallen zu lassen”, sagt er.
Klassische Fehlerkorrekturschemata basieren auf Redundanz. In einem Kommunikationssystem, das Rauschen ausgesetzt ist, könnte man zum Beispiel statt eines einzigen Bits (1 oder 0) drei Kopien von jedem (111 oder 000) senden. Wenn dann die drei Bits nicht übereinstimmen, zeigt das, dass ein Fehler vorliegt. Je mehr Kopien von jedem Bit gesendet werden, desto effektiver kann die Fehlerkorrektur sein.
Dasselbe wesentliche Prinzip könnte auch auf das Hinzufügen von Redundanz in Quantenbits, oder “Qubits”, angewandt werden. Aber, so Layden, “wenn ich ein hohes Maß an Schutz haben will, muss ich einen großen Teil meines Systems für diese Art von Kontrollen aufwenden. Und das ist im Moment nicht der Fall, weil wir ziemlich kleine Systeme haben; wir haben einfach nicht die Ressourcen, um besonders nützliche Quantenfehlerkorrekturen auf die übliche Art und Weise durchzuführen. Stattdessen fanden die Forscher einen Weg, die Fehlerkorrektur sehr eng auf die spezifischen Arten von Rauschen zu richten, die am häufigsten vorkommen.
Das Quantensystem, mit dem sie arbeiten, besteht aus Kohlenstoffkernen in der Nähe einer bestimmten Art von Defekt in einem Diamantkristall, dem sogenannten Stickstoffleerraumzentrum. Diese Defekte verhalten sich wie einzelne, isolierte Elektronen, und ihr Vorhandensein ermöglicht die Kontrolle der nahegelegenen Kohlenstoffkerne.
Das Team fand jedoch heraus, dass die überwältigende Mehrheit des Rauschens, das auf diese Kerne einwirkt, von einer einzigen Quelle stammt: zufällige Fluktuationen in den nahegelegenen Defekten selbst. Diese Rauschquelle kann genau modelliert werden, und die Unterdrückung ihrer Auswirkungen könnte einen großen Einfluss haben, da andere Rauschquellen relativ unbedeutend sind.
“Wir verstehen die Hauptlärmquelle in diesen Systemen eigentlich recht gut”, sagt Layden. “Wir müssen also nicht ein weites Netz auswerfen, um jede hypothetische Art von Lärm zu fangen.
Das Team entwickelte eine andere Fehlerkorrekturstrategie, die auf diese spezielle, dominante Lärmquelle zugeschnitten ist. Wie Layden es beschreibt, kommt das Rauschen “von diesem einen zentralen Defekt oder diesem einen zentralen ‘Elektron’, das dazu neigt, zufällig umher zu hüpfen”. Es zittert”.
Dieser Jitter wiederum wird von allen Kernen in der Nähe in vorhersehbarer und korrigierbarer Weise wahrgenommen.
“Das Ergebnis unseres Ansatzes ist, dass wir in der Lage sind, ein festes Schutzniveau mit weit weniger Ressourcen zu erreichen, als sonst nötig wäre”, sagt er. “Mit diesem gezielten Ansatz können wir ein viel kleineres System verwenden.
Die bisherige Arbeit ist theoretisch, und das Team arbeitet aktiv an einer Labor-Demonstration dieses Prinzips in der Praxis. Wenn es wie erwartet funktioniert, könnte dies ein wichtiger Bestandteil zukünftiger quantenbasierter Technologien verschiedener Art sein, sagen die Forscher, darunter Quantencomputer, die möglicherweise bisher unlösbare Probleme lösen könnten, oder Quantenkommunikationssysteme, die immun gegen Schnüffelei sein könnten, oder hochempfindliche Sensorsysteme.
“Dies ist eine Komponente, die auf verschiedene Weise genutzt werden könnte”, sagt Layden. “Es ist, als würden wir ein Schlüsselteil eines Motors entwickeln. Wir sind noch weit davon entfernt, ein komplettes Auto zu bauen, aber wir haben Fortschritte bei einem kritischen Teil gemacht.
“Die Quantenfehlerkorrektur ist die nächste Herausforderung für das Fachgebiet”, sagt Alexandre Blais, Professor für Physik an der Universität von Sherbrooke in Kanada, der mit dieser Arbeit nicht in Verbindung gebracht wurde. “Die Komplexität der aktuellen Codes zur Quantenfehlerkorrektur ist jedoch entmutigend, da sie eine sehr große Anzahl von Qubits benötigen, um Quanteninformation robust zu kodieren.
Blais fügt hinzu: “Wir haben jetzt erkannt, dass die Nutzung unseres Verständnisses der Geräte, in denen die Quantenfehlerkorrektur implementiert werden soll, sehr vorteilhaft sein kann. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag in dieser Richtung, indem sie zeigt, dass eine häufige Fehlerart viel effizienter als erwartet korrigiert werden kann. Damit Quantencomputer praxistauglich werden können, brauchen wir mehr solche Ideen”.
Quelle/Sender (gekürzt): MIT