Google reduziert Fehler in Quantencomputern mithilfe von "Magie"

Google-Forscher haben ein neues Verfahren zur Verringerung von Fehlern beim Quantencomputing demonstriert. Damit kommt das Unternehmen Quantencomputern näher, die praktische Probleme lösen können. Die auf dem eigenen Quantenprozessor Willow getestete Methode namens "Magic State Cultivation" hat Fehler bei der Zustandspräparation um etwa den Faktor 40 reduziert und Quantenzustände mit einer logischen Zustandstreue von 99,99 Prozent erzeugt.

"Magic States" sind ein etablierter Begriff im Quantencomputing und haben nichts mit übernatürlichen Phänomenen zu tun. Diese Zustände ermöglichen bestimmte Operationen, die für universelle Quantenberechnungen erforderlich sind, darunter solche mit T-Gattern. Da Magic States während der Berechnungen verbraucht werden und sich nicht wiederverwenden lassen, ist ihre zuverlässige Erzeugung in großem Maßstab eine erhebliche technische Herausforderung.

Bisherige Verfahren nutzen die sogenannte "Magic State Distillation". Dabei werden mehrere fehlerbehaftete Zustände kombiniert, um eine kleinere Zahl zuverlässigerer Zustände zu erzeugen. Laut Google kann dieser Prozess einen beträchtlichen Teil der Ressourcen eines Quantencomputers beanspruchen, sodass weniger Kapazität für die eigentlichen Berechnungen bleibt.

Googles Kultivierungsverfahren verfolgt einen anderen Ansatz. Statt große Gruppen fehlerbehafteter Zustände zu verarbeiten, präpariert das System einzelne Zustände und überprüft sie wiederholt durch Messungen. Diese sollen Fehler erkennen, ohne den untersuchten Zustand zu zerstören. Versuche, die diese Prüfungen nicht bestehen, werden verworfen. Übrig bleiben nur die zuverlässigsten Ergebnisse.

Auf Googles Willow-Prozessor hat die Methode die Präparationsfehler gegenüber Zuständen ohne Kultivierung um etwa den Faktor 40 reduziert. Die erzeugten Zustände haben eine logische Zustandstreue von 99,99 Prozent erreicht, was auf eine sehr niedrige Fehlerrate hinweist. Diese Genauigkeit hat allerdings ihren Preis. Bei den Versuchsdurchläufen mit den strengsten Prüfkriterien sind rund 92 Prozent der Versuche verworfen worden. Nur acht Prozent sind für die Nutzung übrig geblieben.

Auch die Messung derart geringer Fehler hat das Team vor Herausforderungen gestellt. Nachdem sich herausgestellt hatte, dass Temperaturschwankungen und Störsignale elektrischer Geräte die ersten Messungen verfälscht hatten, haben die Forscher eine Technik namens "Kickback-Tomografie" entwickelt. Anschließend haben sie gezeigt, dass sich die kultivierten Zustände in einen größeren Quantenfehlerkorrekturcode übertragen lassen. Bei dieser Übertragung sind allerdings zusätzliche Fehler entstanden.

Das Experiment liefert noch keinen vollständigen fehlertoleranten Quantencomputer. Es setzt an einer konkreten technischen Hürde an: der Erzeugung hochwertiger Zustände für praktisch nutzbare Berechnungen, ohne dafür übermäßig viele Hardwareressourcen zu beanspruchen.