Forscher am Caltech haben einen Quantenlöscher entwickelt, um „Löschfehler“ in Quantencomputersystemen zu korrigieren. Bei dieser Technik werden neutrale Erdalkaliatome in Laserlicht-„Pinzetten“ manipuliert, die Fehler durch Fluoreszenz erkennen und korrigieren können. Diese Innovation erhöht die Verschränkungsrate von Redbergs neutralem Atomsystem um das Zehnfache und stellt damit einen wichtigen Schritt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit von Quantencomputern dar.

Zukünftige Quantencomputer werden voraussichtlich die Problemlösung in einer Vielzahl von Bereichen revolutionieren, beispielsweise bei der Herstellung nachhaltiger Materialien, der Entwicklung neuer Medikamente und der Aufdeckung komplexer Probleme in der Grundlagenphysik. Allerdings sind diese bahnbrechenden Quantensysteme derzeit fehleranfälliger als die klassischen Computer, die wir heute verwenden. Wäre es nicht schön, wenn Forscher einen speziellen Quantenradierer entwickeln und Fehler ausradieren könnten?

Forschern ist es zum ersten Mal gelungen, die Identifizierung und Beseitigung von „Löschfehlern“ zu demonstrieren.

Ein Forscherteam unter der Leitung des California Institute of Technology hat als erstes einen Quantenlöscher demonstriert, berichtet Nature. Physiker haben gezeigt, dass sie Fehler, sogenannte „Löschfehler“, in Quantencomputersystemen lokalisieren und korrigieren können.

„Es ist oft schwierig, Fehler in Quantencomputern zu erkennen, weil allein die Suche nach ihnen dazu führt, dass mehr Fehler auftreten“, sagte Adam Shaw, Co-Erstautor der neuen Studie und Doktorand im Labor von Manuel Endres, Professor für Physik am Caltech. „Aber unsere Studie zeigt, dass wir mit einer sorgfältigen Kontrolle bestimmte Fehler ohne Konsequenzen lokalisieren und beseitigen können, daher der Name Löschung.“

Quantencomputer basieren auf physikalischen Gesetzen im subatomaren Bereich, beispielsweise der Verschränkung, einem Phänomen, bei dem Teilchen verbunden bleiben und einander ohne direkten Kontakt nachahmen. In der neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine Quantencomputerplattform, die Arrays neutraler Atome oder ungeladener Atome verwendet. Konkret manipulierten sie einzelne neutrale Erdalkaliatome, die in „Pinzetten“ aus Lasern eingeschlossen waren. Diese Atome werden in einen hochenergetischen Zustand, den „Redberg“-Zustand, angeregt, in dem benachbarte Atome zu interagieren beginnen.

Während Fehler in Quantengeräten oft schwer zu erkennen sind, haben Forscher gezeigt, dass bei sorgfältiger Kontrolle einige wenige Fehler Atome zum Leuchten bringen können. Die Forscher machten sich diese Fähigkeit zunutze, indem sie eine Quantensimulation mit einer Reihe von Atomen und einem Laserstrahl durchführten, wie hier gezeigt. Experimente zeigten, dass sie die fehlerhaft leuchtenden Atome verwerfen konnten, wodurch Quantensimulationen effizienter durchgeführt werden konnten. Bildnachweis: Caltech/Lance Lintian

„Die Atome in unserem Quantensystem kommunizieren miteinander und verschränken sich“, erklärt Pascal Scholl, ein weiterer Co-Erstautor der Studie, der Postdoktorand am Caltech war und jetzt bei einem französischen Quantencomputerunternehmen namens PASQAL arbeitet.

Verschränkung ist der Schlüssel zu Quantencomputern, die klassische Computer übertreffen. „Die Natur hält diesen Zustand der Quantenverschränkung jedoch nicht gerne aufrecht“, erklärt Scholl. „Irgendwann werden Fehler auftreten, die den gesamten Quantenzustand zerstören. Diese verschränkten Zustände kann man sich als Körbe voller Äpfel vorstellen, und die Atome sind die Äpfel. Mit der Zeit beginnen einige Äpfel zu faulen, und wenn diese Äpfel nicht aus dem Korb genommen und durch frische ersetzt werden, verfaulen alle Äpfel schnell. Es ist nicht klar, wie man das Auftreten dieser Fehler vollständig verhindern kann, daher besteht der einzig mögliche Weg derzeit darin, die Fehler zu erkennen und zu korrigieren.“

Das neue Fehlerfangsystem ist so konzipiert, dass fehlerhafte Atome fluoreszieren oder leuchten, wenn sie von Laserlicht getroffen werden. „Wir haben Bilder der leuchtenden Atome, die uns sagen, wo die Fehler liegen, sodass wir sie aus der endgültigen Statistik ausschließen oder zusätzliche Laserpulse verwenden können, um sie proaktiv zu korrigieren“, sagte Scholl.

Die Theorie zur Implementierung der Löscherkennung in neutralen Atomsystemen wurde erstmals von Jeff Thompson, einem Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Princeton University, und seinen Kollegen vorgeschlagen. Das Team berichtete kürzlich auch in der Fachzeitschrift Nature über eine Demonstration der Technologie.

Das Caltech-Team sagt, dass sie durch die Beseitigung und Lokalisierung von Fehlern in ihrem System aus Redberg-Atomen die Gesamtrate oder Genauigkeit der Verschränkung erhöhen können. In der neuen Studie stellte das Team fest, dass nur ein Paar von 1.000 Atompaaren es nicht schaffte, sich zu verschränken. Dies ist eine zehnfache Verbesserung gegenüber früheren Ergebnissen und die höchste Verschränkungsrate, die bei diesem Systemtyp beobachtet wurde.

Letztendlich verheißen diese Ergebnisse Gutes für Quantencomputerplattformen, die Arrays neutraler Redberg-Atome verwenden. Neutrale Atome sind die am besten skalierbare Art von Quantencomputern, aber bisher hatten sie keine hohe Verschränkungsgenauigkeit.

Referenz: „Erasure Transformation in the High-Fidelity Redberg Quantum Simulator“, von Pascal Scholl, Adam L. Shaw, Richard Bing-Shiun Tsai, Ran Finkelstein, Joonhee Choi und Manuel Endres, 11. Oktober 2023, Zeitschrift „Nature“.

DOI:10.1038/s41586-023-06516-4

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily