Erstmals haben Physiker zwei auf mehrere Quantenobjekte verteilte Quantenbits miteinander verschränkt und deren Quanteneigenschaften erfolgreich übertragen. Damit ist ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung von fehlertoleranten Quantencomputern erreicht. Die Wissenschaftler berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature.
Auch Computer können sich verrechnen. Schon kleine Störungen verändern gespeicherte Informationen und verfälschen das Rechenergebnis. Deshalb nutzen Rechenmaschinen Verfahren, um solche Fehler laufend zu korrigieren. Bei Quantencomputern lässt sich die Fehleranfälligkeit reduzieren, indem Quanteninformation nicht in einem einzelnen Quantenteilchen gespeichert, sondern in eine größere Anzahl von Quantenobjekten kodiert wird. Diese logischen Quantenbits sind unempfindlicher gegenüber Störungen. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker viele verschiedene Fehlerkorrekturcodes entwickelt und diese für unterschiedliche Aufgaben optimiert. „Die vielversprechendsten Codes in der Quantenfehlerkorrektur sind solche, die auf einem zweidimensionalen Gitter definiert sind“, erläutert Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Der Grund dafür ist, dass die physikalische Struktur aktueller Quantencomputer sehr gut durch solche Gitter abgebildet werden kann.“ Mit Hilfe der Codes lässt sich Quanteninformation redundant über mehrere Quantenobjekte verteilen. Den Innsbrucker Quantenphysikern ist es nun erstmals gelungen, zwei auf diese Weise kodierte Quantenbits miteinander zu verschränken. Die Verschränkung ist eine wichtige Ressource des Quantencomputers, mit der ein Leistungsvorteil gegenüber klassischen Rechnern gewonnen werden kann.
Eine Art Quantennähmaschine
Für ihr Experiment verwenden die Physiker einen Ionenfallen-Quantencomputer mit zehn Ionen. In diese werden die logischen Quantenbits kodiert. Mit einem Verfahren, das die Wissenschaftler als ‚Gitterchirurgie‘ bezeichnen, lassen sich die logischen Quantenbits ‚vernähen‘. „Aus den zusammengenähten Quantenbits entsteht ein neues, größeres Quantenbit“, erklärt Alexander Erhard aus dem Innsbrucker Team. „Ein großes logisches Quantenbit kann wiederum mittels Gitterchirurgie in zwei einzelne logische Quantenbits aufgetrennt werden.“ Im Gegensatz zu den Standardoperationen zwischen zwei logischen Quantenbits erfordert die Gitterchirurgie nur Operationen entlang der Grenze der kodierten Quantenbits, nicht auf ihrer gesamten Oberfläche. „Dies reduziert die Anzahl der Operationen, die erforderlich sind, um eine Verschränkung zwischen zwei kodierten Quantenbits zu erzeugen“, erläutern die Theoretiker Nicolai Friis und Hendrik Poulsen Nautrup.
Wichtige Technologie für fehlertolerante Quantencomputer
Die Gitterchirurgie gilt als eine der Kerntechnologien für den Betrieb zukünftiger fehlertoleranter Quantencomputer. Mit Hilfe dieses Verfahrens haben die Physiker um Thomas Monz und Rainer Blatt nun gemeinsam mit den Theoretikern Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie Nicolai Friis vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien zwei kodierte Quantenbits miteinander verschränkt. Es handelt sich dabei um die erste experimentelle Realisierung von nichtklassischen Korrelationen zwischen topologisch kodierten Quantenbits. Darüber hinaus konnten die Forscher zum ersten Mal die Übertragung von Quantenzuständen zwischen zwei kodierten Quantenbits demonstrieren.
Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Forschungsförderungsgesellschaft FFG sowie der EU.
Publikation: Entangling logical qubits with lattice surgery. Alexander Erhard, Hendrik Poulsen Nautrup, Michael Meth, Lukas Postler, Roman Stricker, Martin Ringbauer, Philipp Schindler, Hans J. Briegel, Rainer Blatt, Nicolai Friis, Thomas Monz. Nature 2020, doi: 10.1038/s41586-020-03079-6; https://www.nature.com/articles/s41586-020-03079-6
