Fehlerkorrektur für Quantencomputer – aber wie?

Quantencomputer können potenziell Berechnungen durchführen, die für klassische zu komplex sind. Allerdings erschweren es Quantenfehler immens, lange und komplexe Berechnungen durchzuführen. Abhilfe kann die Quantenfehlerkorrektur leisten, aber wie funktioniert sie?

Quantenbits (Qubits), die in Quantencomputern als grundlegende Recheneinheiten dienen, sind äußerst empfindlich und können leicht durch Umgebungsfaktoren beschädigt werden. Daher bedarf es einer effektiven Fehlerkorrektur, um Quantencomputer praxistauglich zu machen. Glücklicherweise sind Methoden bekannt, die Quantenberechnungen vor Fehlern, die durch Quantenrauschen ausgelöst werden, schützen können. Allerdings ist die Herausforderung größer als bei der Fehlerkorrektur für klassische Computer, denn Qubits sind deutlich komplexer als klassische Bits. Anstatt in nur zwei möglichen Zuständen, können Qubits sich auch in Zwischenpositionen – Superpositionen genannt – befinden, was sie zwar leistungsstärker, aber eben auch fehleranfälliger macht. 

Gerade für die Entwicklung hochleistungsfähiger und gleichzeitig fehlertoleranter Quantencomputer ist die Quantenfehlerkorrektur (Quantum Error Correction, QEC) unerlässlich. Ohne sie werden die Berechnungen unzuverlässiger, je größer und komplexer die Computer werden. Ihre Implementierung erfordert allerdings einen erheblichen Mehraufwand durch zusätzliche Qubits und Gatter. Außerdem ist präzise Kontrolle notwendig, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren – ohne dabei die empfindlichen Quantenzustände zu stören. Effektiv angewandte QEC stellt daher eine wesentliche technische Hürde dar. 

Lösungsansätze für die Fehlerkorrektur 

Es gibt zwar verschiedene Ansätze, Fehler bei Quantencomputern zu korrigieren, eine Methode ist aber am geläufigsten. Hierbei werden mehrere physische Qubits zu einem sogenannten logischen Qubit zusammengeschlossen. Sind die Qubits miteinander verschränkt, lassen sich Fehler in einzelnen Qubits identifizieren und korrigieren, ohne dass die Zustände der Qubits direkt gemessen werden müssen. So bleibt die Quanteninformation erhalten – denn eine direkte Messung aller Qubits führt dazu, dass die Superpositionen kollabieren, Informationen verloren gehen und das System insgesamt gestört wird. Diese Art Fehlerkorrektur funktioniert über Quantenfehlerkorrektur-Codes wie Stabilisator-Codes und Surface-Codes. 

Es gibt hierbei Überschneidungen mit der Fehlerkorrektur bei klassischen Computern. So führen Stabilisator-Codes Messungen durch, um Fehler zu erkennen und greifen dann auf klassische Logik zurück, um Korrekturoperationen auf die beschädigten Qubits anzuwenden. Wie bei traditionellen Computern ist hierbei die Redundanz, also das mehrfache Speichern einer Information die Grundlage, um die Fehler erkennbar zu machen und mit der richtigen Information zu beheben. 

Einen Schritt weiter gehen die sogenannten Surface-Codes. Hierbei sind die physischen Qubits in zweidimensionalen Gittern angeordnet und bilden so zusammen gruppenweise logische Qubits. Die Korrektur findet über diese räumliche, topologische Anordnung statt. Wenn einzelne physische Qubits beschädigt sind und damit fehlerhaft werden, bleibt dennoch das Gesamtmuster bestehen. So werden Abweichungen identifizierbar und Fehler lassen sich korrigieren. 

Vier Säulen für bessere Fehlerkorrektur 

Nicht alle Quantencomputer sind gleich aufgebaut – tatsächlich ist aktuell noch nicht klar welche Bauart sich am Ende durchsetzen wird. Fest steht allerdings, dass gewisse Gestaltungsansätze einen strategischen Vorteil bieten, indem sie die Fehlerkorrektur erleichtern. 

Neutrale Atome bieten als Grundbaustein von Quantencomputern inhärente Stabilität und Skalierbarkeit, denn sie benötigen keine aufwendige Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen wie etwa Systeme auf Supraleiter-Basis. Stattdessen funktionieren sie sogar bei Raumtemperatur. Daher können Neutral-Atom-Systeme nicht nur leichter in existierende Rechenzentren integriert werden, sie sind auch – dadurch, dass sie ladungsneutral sind – weniger anfällig für Interferenzen von außen. 

Mit dem sogenannten Qubit-Shuttling lassen sich die Qubits selbst innerhalb von Prozessoren dynamisch rekonfigurieren, also neu anordnen. Das erleichtert effiziente Fehlerkorrekturprotokolle, indem die Qubits für Rechenoperationen bewusst näher zusammengeführt, aber gleichzeitig unerwünschte Wechselwirkungen vermieden werden. So kommt es zu weniger Vertauschungen und damit seltener zu Fehlern. Außerdem erlaubt diese Methode kompaktere und effizientere Fehlerkorrekturalgorithmen. 

Die Geschwindigkeit und Effizienz im Gesamtsystem lassen sich hingegen durch parallele Prozesse steigern. Das ist insbesondere dafür wichtig, um den Mehraufwand, der mit Fehlerkorrektur einhergeht geringzuhalten. Der Ablauf ist vergleichbar mit dem Multitasking bei klassischen Computern: Mehrere Qubits können gleichzeitig 1- oder 2-Qubit-Gatter mit nur einem Steuersignal ausführen, was insgesamt effizienter ist. Diese Methode ist sowohl mit physischen als auch mit logischen Qubits anwendbar und kann somit die Gesamtkosten und den Zeitaufwand erheblich senken. 

Auf klassischer Computerarchitektur baut wiederum die „zonierte Architektur“ (zoned architecture) auf. Dabei untergliedert sich der Quantenprozessor in dedizierte Zonen mit spezifischer Funktionalität. Unter den wichtigsten Funktionen finden sich die Speicherzone für kodierte Quanteninformationen, die Verschränkungszone, die Qubits zusammenführt, und die Messungszone als Schnittstelle zu den Input/Output- Komponenten des Prozessors. Zudem dient die Messungszone dazu, Fehler bei Berechnungen zu erkennen und zu korrigieren. 

Ohne Fehlerkorrektur keine praxistauglichen Quantencomputer 

Der Weg zu praktikablen Quantensystemen und damit zum Quantenvorteil ist kompliziert. Die Fehleranfälligkeit von Qubits ist eine der Hürden, die es zu überwinden gilt. Die Quantenfehlerkorrektur bildet dafür einen entscheidenden Baustein, auch wenn sie selbst eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt. Schon jetzt gibt es aussichtsreiche Konzepte – teils von klassischen Lösungsansätzen inspiriert –, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den kommenden Jahren weiter verfeinern und ausbauen werden. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist eine im Wissenschaftsjournal Nature veröffentlichte, von Harvard geleitete Forschungsarbeit, die demonstriert, wie sich die Anzahl der logischen Qubits von zuvor zwei oder drei auf 48 erhöhen lässt. Das stellt insbesondere einen beachtlichen Schritt nach vorne dar, weil die aktuell leistungsfähigsten Supercomputer nur bis zu 50 Qubits zuverlässig simulieren können. 48 logische Qubits mit Fehlerkorrektur liegen also nur knapp unter dem, was klassische Computer in der Lage sind zu simulieren. Zwar ist noch viel Forschung zu leisten, jedoch zeigen solche Fortschritte, wie nah praktikable Quantensysteme schon sind.