Tiroler Physiker verschränken Quanteninformation durch Vernähen

Forscher schaffen mittels "Gitterchirurgie" Verbindung zwischen fehleresistenteren Quantensystemen

Um mit fragilen Quantenzustanden möglichst gut rechnen zu können, braucht es Methoden zur Fehlerkorrektur, bei denen die Information mehrfach vorliegt. Innsbrucker Physikern ist es nun gelungen, ein verteiltes, "logisches Qubit" genanntes Quantensystem zu formen, das über das Phänomen der Verschränkung verbunden ist. Der Trick: Durch Vernähen der Gebilde an einer bestimmten Stelle entsteht die gewünschte Verbindung, die auch in Entfernung aufrecht bleibt.

Seinen für die Weiterentwicklung von Quantencomputern wichtigen Ansatz stellt das Team um die Erstautoren Alexander Erhard und Hendrik Poulsen Nautrup, Nicolai Friis und Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Fachblatt "Nature" vor. "Unser Ziel ist es, einen fehlertoleranten Quantencomputer zu realisieren", sagte Erhard zur APA.

Denn wie auch in herkömmlichen Computern treten in den auf flüchtigen Quantenzuständen basierenden neuen Systemen Fehler auf. Im Prinzip versuche man daher, Information redundant zu machen - sie also aufzuteilen. Ein einfaches Kopieren von Zuständen verbieten die bizarren Regeln der Quantenmechanik nämlich.

Die Forscher schreiben daher die Information in eine größere Zahl an Quantenobjekten ein. Im Fall der Innsbrucker Physiker ist dieser sogenannte "Code" beispielsweise ein zweidimensionales Gittersystem mit drei mal drei Teilchen. Derartige Qubits (der Begriff steht für eine Informationseinheit - Bit - in der Quantenwelt) sind gegenüber Störungen besser geschützt, da über bestimmte Methoden erkannt werden kann, ob und wo Einzelobjekte fehlerhaft sind. Diese können dann quasi repariert werden, ohne dass die gemeinsame Information ausgelesen und damit zerstört wird. Die gewünschte Rechenoperation muss dann nicht neu begonnen werden und kann weiter laufen, erklärte Erhard.

Will man nun ein System schaffen, mit dem prinzipiell jede Rechenoperation durchgeführt werden kann, braucht es auch Verschränkung zwischen zwei logischen Qubits. Dieses Phänomen besagt, dass Quantensysteme - etwa Teilchen - wie durch Geisterhand verbunden bleiben, und unmittelbar den gleichen Zustand einnehmen, sobald sie gemessen oder ihre Information ausgelesen wird. Für die Verschränkung von logischen Qubits gibt es verschiedene Methoden, die sich unter anderem in der Anzahl der dafür notwendigen Ressourcen unterscheiden, erklärte Erhard

Die Physiker setzten in ihrer Arbeit auf ein sehr effizientes Verfahren namens "Gitterchirurgie", in dem möglichst wenige Quantenoperationen ausgeführt werden müssen. Mit der Methode zeigten sie nun erstmals, dass es möglich ist, zwei logische Qubits zu verschränken.

Die beiden hier verwendeten logischen Qubits bestehen aus einem Zwei-mal-zwei-Gitter, das jeweils vier Teilchen beinhaltet. Mit herkömmlichen Methoden müsste dann jedes der je vier Teilchen einzeln mit seinem Gegenstück paarweise verbunden werden.

Das Team um Erhard zeigte nun aber, dass es auch anders geht: Die Wissenschafter legten die beiden Vierer-Raster sozusagen nebeneinander auf und verbanden nur je die zwei aneinanderliegenden Nachbarteilchen miteinander. Die Einheiten werden also nur entlang der Grenze zueinander vernäht, was den Aufwand erheblich reduziert. Und siehe da: Die zwei logischen Qubits wurden zu einem verbunden. Erhard: "Ich mache also aus zwei logischen Qubits eines. Es entsteht ein neuer Code."

Wurden sie danach durch eine weitere Messung wieder getrennt, blieb die gewünschte Verschränkung bestehen. Das kann dann u.a. auch dazu genutzt werden, einen Quantenzustand von dem einen Teil in den anderen zu teleportieren, sprich die Information unmittelbar zu übertragen. Die Methode der Gitterchirurgie sei allerdings nicht auf den hier verwendeten Code beschränkt, sondern kann auch für eine Verbindung von in jeweils anderen Codes konstruierten Qubits verwendet werden, betone Erhard. Zukünftig könnte das Verfahren im Quantencomputer also als Schnittstelle zwischen unterschiedlich kodierten Speicher-Qubits und Prozessor-Qubits dienen.

(S E R V I C E - https://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03079-6)

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