- Das Forschungsteam senkte die Fehlerquote von Quantenberechnungen um 54 % durch Diagnosetests.
- Die Leistungsfluktuationen der Qubits stammen hauptsächlich von mikroskopischen Defekten innerhalb des Chips.
- Die neue Methode führt Echtzeit-Feedback ein, um die Stabilität der Qubits zu erhöhen.
- Kommerzielle Quantencomputer benötigen viele Qubits, die zusammenarbeiten, um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.
Physiker haben eine einfache Methode gefunden, um zu verhindern, dass Quantencomputer ihre Abstimmung verlieren. Durch die Hinzufügung eines Diagnosetests vor der Durchführung von Berechnungen konnte ein internationales Forschungsteam die Fehlerquote um 54 % senken. Diese Technik wurde in der Zeitschrift „Applied Physics Reviews“ veröffentlicht und adressiert eines der größten Engpässe in der modernen Quantenengineering: die extreme physikalische Zerbrechlichkeit von Qubits. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computerchips, die als standardmäßige binäre Schalter zur Datenverarbeitung dienen, verlassen sich Quantenprozessoren auf physikalische Schaltungen, die von der Quantenphysik kontrolliert werden. In einer neuen Studie testete das Team einen supraleitenden Schaltkreis auf dem Chip und leitete das System mit hochpräzisen Mikrowellenimpulsen.
Das Experiment wurde im israelischen Quantencomputing-Zentrum durchgeführt, wobei der Forscher Fabrizio Berritta die Hardware aus dem Massachusetts Institute of Technology fernsteuerte.
In Tests ohne Anpassungen beobachtete das Team signifikante Leistungsfluktuationen der Qubit-Betrieb über die Zeit. Der Hauptverursacher dieser Situation sind mikroskopische Defekte innerhalb des Chips. Materialfehler führen dazu, dass die Resonanzfrequenz der Schaltung zwischen zwei verschiedenen Zuständen springt. Diese Frequenz bestimmt das präzise Mikrowellensignal, das zur Programmierung des Prozessors erforderlich ist. Die Forscher erklärten in einer Pressemitteilung: „Man kann sich das wie ein Musikinstrument vorstellen. Wenn das Instrument ein wenig verstimmt ist, wird die gleiche Bewegung nicht mehr den erwarteten Ton genau erzeugen.“ Wenn sich die Frequenz ohne Vorwarnung ändert, können die eingehenden Impulse das Ziel nicht treffen.
Obwohl die Schaltung weiterhin funktionieren kann, wird die Berechnung fehlschlagen. Frühere Experimente konnten diese Änderungen identifizieren, jedoch nicht während der aktiven Berechnung korrigieren.
Echtzeit-Feedback-Mechanismus der neuen Methode
Die neue Methode führt Echtzeit-Feedback ein. Vor jedem Berechnungsdurchlauf bereitet das System die Qubits kurz vor und verfolgt ihr Verhalten. Da jeder Frequenzzustand signifikante Markierungen aufweist, kann das System sofort den Kanal identifizieren, in dem sich das Qubit befindet. Der Steuercomputer zielt dann die Mikrowellenimpulse neu aus, um dieser Frequenz zu entsprechen, und führt dann die logischen Gatter aus. Die automatische Anpassung bringt sofortige Stabilität. In Benchmark-Tests sank die durchschnittliche Fehlerquote der Qubits von 0,14 % auf 0,065 %. Während der Spitzeninterferenzen fiel die Fehlerquote um bis zu 77 %. Derzeit muss die Methode jedoch im Voraus über zwei Frequenzoptionen informiert sein, und die Qubits müssen lange genug in diesem Zustand bleiben, damit das angepasste Mikrowellensignal ankommt.
Der leitende Forscher Ferdinand Kuemmeth, Experimentalphysiker an der Universität Regensburg und am Niels Bohr Institut in Kopenhagen, weist jedoch darauf hin, dass diese Technik ein drängendes industrielles Problem löst. „Langfristig wird es notwendig sein, Millionen von nahezu perfekten Qubits gleichzeitig zu betreiben, während die Quantenmaterialien immer reiner werden“, erklärte Professor Kuemmeth. Er betonte, dass selbst die reinsten Chips der Zukunft weiterhin verstreute Defekte enthalten werden, und sein Labor hat automatisierte Werkzeuge entwickelt, um unbekannte Frequenzsprünge zu erkennen.
Herausforderungen der zukünftigen Quantenberechnung
Kommerzielle Quantencomputer benötigen viele Qubits, die zusammenarbeiten, ohne die Genauigkeit zu verlieren. Die Forscher glauben, dass zukünftige Quantenprozessoren letztendlich in großem Maßstab zuverlässig arbeiten können, indem sie selbstkorrektierendes Feedback direkt in die Hardwaresteuerleitungen integrieren. Kuemmeth sagte: „Ich bin fest davon überzeugt, dass unsere Methode in der bevorstehenden Ära der Quantencomputing-Expansion von großem Wert sein wird und einen erheblichen Einfluss auf die tatsächliche Rechenleistung von Quantencomputern haben wird.“
Stabilität der Quantenberechnung und zukünftige Entwicklungen
Die Entwicklung der Quantenberechnung steht vor Herausforderungen durch die Zerbrechlichkeit der Qubits, insbesondere durch Leistungsfluktuationen, die durch mikroskopische Defekte verursacht werden. Diese neue Technik verbessert die Stabilität der Qubits durch Echtzeit-Feedback und zeigt die Bedeutung von Automatisierung und sofortiger Anpassung im Bereich der Quantenberechnung. Mit dem Fortschritt der Quantenmaterialien werden zukünftige Quantencomputer viele Qubits gleichzeitig betreiben müssen, was für die Realisierung kommerzieller Anwendungen entscheidend ist. Die Bemühungen der Forscher lösen nicht nur aktuelle technische Engpässe, sondern legen auch den Grundstein für die langfristige Entwicklung der Quantenberechnung.