Google hat ein bemerkenswertes Ergebnis bei der Fehlerrate erzielt, einem der größten technischen Probleme, die einer breiten und zuverlässigen Nutzung von Quantencomputern im Wege stehen. Das Unternehmen hat mit der Methode „Magic State Cultivation“, die auf dem Willow-Quantenprozessor getestet wurde, die Fehler bei der Vorbereitung bestimmter Quantenzustände um etwa das 40-fache reduziert.
In den Experimenten wurde berichtet, dass die Genauigkeit logischer T-Zustände, die für komplexe Quantenberechnungen verwendet werden können, ein Niveau von 99,99 Prozent erreichte. Dieses Ergebnis zeigt, dass Quantencomputer nicht nur durch die Erzeugung von mehr Qubits Fortschritte machen müssen, sondern auch durch die Fähigkeit, zuverlässige Operationen auf diesen Qubits durchzuführen.
NEUE METHODE ZIELT AUF GERINGEREN RESSOURCENVERBRAUCH AB
Die in Quantencomputern verwendeten Qubits sind extrem empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Daher ist die Erkennung und Korrektur von Fehlern, die während der Berechnung auftreten, für die Nutzbarkeit des Systems von entscheidender Bedeutung. Einige Quantenoperationen können jedoch nicht direkt und mit geringer Fehlerrate auf Qubits durchgeführt werden, die durch klassische Fehlerkorrekturansätze geschützt sind.
An dieser Stelle kommen spezielle Quantenzustände ins Spiel, die als „Magic States“ bezeichnet werden. Diese Zustände gelten als notwendig, damit Quantencomputer komplexere Operationen ausführen können. Die Vorbereitung dieser Zustände mit hoher Genauigkeit erfordert jedoch bei herkömmlichen Methoden erhebliche Hardware- und Rechenressourcen.
Einer der bestehenden Ansätze, die „Magic State Distillation“, basiert darauf, aus einer großen Anzahl potenziell fehlerhafter Quantenzustände eine geringere Anzahl, aber zuverlässigere Ergebnisse zu gewinnen. Dieser Prozess kann so kostspielig sein, dass er einen Großteil der Ressourcen zukünftiger Quantencomputer verbrauchen könnte. Da zudem jeder „Magic State“ nur einmal verwendet werden kann, muss das System ständig neue Zustände erzeugen.
Die von Google getestete Methode „Magic State Cultivation“ basiert hingegen darauf, einen potenziell fehlerhaften Quantenzustand auf kleinem Raum vorzubereiten und durch präzise Messungen zu kontrollieren. Während fehlgeschlagene Versuche aussortiert werden, kann der erfolgreiche Quantenzustand auf eine größere Struktur erweitert werden. Anstatt aus einer Vielzahl fehlerhafter Zustände eine geringe Anzahl guter Ergebnisse zu produzieren, wird so von Beginn an mit einem kleineren System eine hohe Genauigkeit angestrebt.
ECHTER HARDWARE-TEST AUF WILLOW
Bei der Erprobung der Methode auf echter Hardware stieß das Google-Team auf einige technische Herausforderungen. Während bei den ersten Messungen unerwartete Abweichungen auftraten, zeigten Tests und Simulationen, dass das Problem mit Rauschen und Temperaturschwankungen der elektrischen Geräte im Labor zusammenhing.
Daraufhin nahmen die Forscher Verbesserungen an den Steuerungssystemen des Prozessors vor und entwickelten eine neue Messtechnik namens „Kickback Tomography“, um die Genauigkeit der Quantenzustände zu bewerten. Diese Technik reduzierte den bei früheren Messungen aufgetretenen Rauscheffekt und ermöglichte eine zuverlässigere Bewertung der Ergebnisse.
Google zeigte zudem, dass die vorbereiteten Quantenzustände zwischen verschiedenen Fehlerkorrekturmethoden übertragen werden können. Mit einer Technik namens „Grafting“ wurde der Übergang von einem Farbcode mit Distanz 3 zu einem Oberflächencode mit Distanz 5 vollzogen. Farbcode und Oberflächencode sind als zwei verschiedene Ansätze bekannt, die zur Erkennung und Korrektur von Fehlern in einem Quantencomputer verwendet werden.
Die Demonstration dieser Übertragung auf einem echten Quantenprozessor wird als wichtig für Systeme angesehen, die in Zukunft verschiedene Fehlerkorrekturmethoden kombinieren können. Das Auftreten zusätzlicher Fehler während des Übergangs deutet jedoch darauf hin, dass die Methode für den praktischen Einsatz noch weiterentwickelt werden muss.
Das Ergebnis von Google zeigt, dass der Ansatz der „Magic State Cultivation“ nicht nur auf theoretischer Ebene bleibt, sondern auf Quantenhardware angewendet werden kann. Dennoch muss die Methode, um in Quantencomputern im echten Maßstab eingesetzt werden zu können, einen ähnlichen Erfolg in weitaus größeren Systemen nachweisen.
Nachrichtenquelle: 12punto
