Um trotzdem Rechnungen durchführen zu können, wird bislang ein großer Teil der Recheneinheiten eingesetzt, um Fehler zu diagnostizieren und zu korrigieren. „Von den 50 und mehr Qubits, die aktuell führende Quantencomputer erreichen, werden höchstens 12 für Anwendungen genutzt“, sagt der Forscher. Hinzu kommt: Je komplexer eine Rechnung, desto rasanter nimmt die Fehlerrate zu. Irgendwann sind es so viele fehlerhafte Qubits, dass das System nicht mehr ordentlich funktioniert. „Daher ist es aktuell wichtiger, die Fehlerwahrscheinlichkeit zu verringern als die Zahl der Qubits zu steigern“, ist Frank Wilhelm-Mauch überzeugt.

Erkennen und korrgieren

Um diese Arten von Fehlern zu entdecken, haben Forschende in den letzten zwei Jahrzehnten verschiedene Rechenverfahren entwickelt. Dabei beobachten sie die Qubits, die fürs Rechnen benötigt werden, nicht direkt, sondern nutzen Hilfsqubits als Warnlampen, die anzeigen, wenn ein Qubit gleichsam „ausgeflippt“ ist. Die Verfahren ermöglichen es außerdem, die Fehler anschließend sofort zu korrigieren.

Eine andere Art von Fehler entsteht, wenn ein Qubit aus einer Ansammlung von Qubits verschwindet. Dabei wird entweder ein Quantenteilchen von den anderen nicht mehr als solches erkannt oder geht sogar ganz verloren. „Wir haben als Erste ein Verfahren entwickelt, mit dem sich diese Art von Fehlern mittels Hilfsqubits entdecken und korrigieren lässt, ohne die Rechnung zu stören“, sagt Prof. Markus Müller, Experte für theoretische Quantentechnologie vom PGI-2. Kooperationspartner der Universität Innsbruck haben mit einem kleinen Ionenfallen-Quantencomputer gezeigt, dass das Verfahren in der Praxis funktioniert. Markus Müller geht davon aus, dass es sich mit Methoden zur Korrektur von Bit-Flip- und Phasen-Flip-Fehlern kombinieren lässt.

Schützende Schaltung

Alle genannten Methoden funktionieren in gewisser Weise ähnlich wie die aktive Geräusch­unterdrückung bei Kopfhörern: Diese blenden störende Geräusche von außen durch Gegenschall aus. Man hört auf diese Weise nur die gewünschte Musik. Bei den Qubits folgt nach einer erkannten Störung eine Rechenoperation, die die Störung beseitigt. Es bleibt die Information in ihrer ursprünglichen reinen Form.

Einen völlig anderen Ansatz haben Martin Rymarz und Prof. David DiVincenzo, Leiter des PGI-2, zusammen mit Partnern von der Universität Basel und dem QuTech Delft vorgestellt: Sie haben eine Schaltung entworfen, die die Qubits passiv vor Störungen schützen soll – sozusagen ein Kopfhörer, der Geräusche von außen gar nicht erst ans Ohr lässt und somit im besten Fall ohne Gegenschall auskommt. Im Zentrum dieser Schaltung steht ein Gyrator, ein elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, das Strom an einem Anschluss mit Spannung am anderen koppelt.

„Bei Supraleiter-Quantencomputern könnte die aktive Fehlerkorrektur dank unserer Schaltung wegfallen oder zumindest weniger aufwendig gestaltet werden“, sagt Doktorand Martin Rymarz. Er ist überzeugt, dass sich der Bau eines Supra­leiter-Quantencomputers mit einer großen Zahl von Qubits somit erheblich vereinfachen würde. DiVincenzo ist sich bewusst, dass dieses Konzept noch ein wenig seiner Zeit voraus sein mag, aber er ist optimistisch: „Angesichts der vorhandenen Expertise sehen wir die Möglichkeit, unseren Vorschlag in absehbarer Zeit im Labor zu testen.“

Frank Frick