Ein Hardwaretest für ein schwieriges Problem der Quanteninformatik
Forscher von Google Quantum AI haben auf dem supraleitenden Prozessor Willow des Unternehmens eine Technik namens Kultivierung magischer Zustände demonstriert. Dabei wurden die Fehler in den vorbereiteten Quantenzuständen nach eigenen Angaben um das 40-Fache reduziert. Das in Science veröffentlichte Ergebnis gilt als erster erfolgreicher Hardwaretest dieses Ansatzes.
Die Arbeit befasst sich mit einem zentralen Hindernis der Quanteninformatik: Qubits sind empfindlich. Anders als herkömmliche digitale Bits können Quantenbits durch ihre Umgebung und durch Unvollkommenheiten bei der Steuerung gestört werden. Diese Fehler machen zuverlässige Berechnungen äußerst schwierig, insbesondere die fortgeschrittenen Operationen, die für nützliche fehlertolerante Quantencomputer erforderlich sind.
Das Experiment konzentriert sich auf „magische Zustände“, speziell vorbereitete Quantenzustände, die für fortgeschrittene Berechnungen benötigt werden. Die Erzeugung hochwertiger magischer Zustände ist eine große Herausforderung, da bereits ein kleiner Fehler im Zustand eine umfangreichere Berechnung beeinträchtigen kann. Das Ergebnis von Google beseitigt die umfassendere Herausforderung der fehlertoleranten Quanteninformatik nicht, zeigt aber einen Weg, eine wichtige Komponente auf echter Hardware zu verbessern.
Von der Destillation zur Kultivierung
Eine bekannte Methode zur Verbesserung magischer Zustände ist die Destillation magischer Zustände. Vereinfacht gesagt filtert die Destillation Fehler aus Quantenressourcen heraus. Sie kann funktionieren, ist jedoch ressourcenintensiv: Die Erzeugung einer kleineren Zahl nützlicher Zustände kann beträchtliche Hardware- und Rechenressourcen erfordern.
Die Kultivierung magischer Zustände ist ein anderer Vorschlag. Statt auf dieselbe ressourcenintensive Filterung zu setzen, soll ein verrauschter magischer Zustand direkt in einem geschützten Qubit bereinigt werden. Der Schutz entsteht dadurch, dass Quanteninformationen über mehrere physische Qubits verteilt codiert werden, anstatt sie vollständig in einer einzigen anfälligen Komponente abzulegen.
Im Willow-Experiment begann das Team bewusst mit Fehlern, die korrigiert werden sollten. Die Forscher codierten einen verrauschten magischen Zustand über ein kleines Gitter physischer Qubits. Anschließend nutzten sie Hilfsqubits, um die codierten Informationen auf Fehler zu prüfen, ohne die empfindlichen Quantendaten zu zerstören.
Wenn die Prüfungen einen Fehler erkannten, wurde dieser Versuch verworfen und das System begann von vorn. Wenn ein Versuch alle Prüfungen bestand, wurde der verfeinerte magische Zustand für die weitere Verarbeitung behalten. Diese Nachauswahl ist wichtig: Die Methode behauptet nicht, dass jeder Versuch erfolgreich ist. Stattdessen soll sie die Fälle identifizieren, in denen der gewünschte geschützte Zustand die Prüfungen überstanden hat.
Was die Zahl 40 bedeutet
Nach Angaben der Forscher verringerte die Kultivierung den Fehler um den Faktor 40. Die akzeptierten magischen Zustände erreichten eine Genauigkeit von mindestens etwa 99,99 %. Diese Kennzahl beschreibt, wie stark der vorbereitete Zustand dem beabsichtigten Zustand entspricht.
Die Zahl verdeutlicht auch, warum Messungen in diesem Bereich eine Herausforderung sind. Sind die verbleibenden Fehler sehr klein, erfordert der Nachweis ihrer geringen Größe eine sorgfältige Überprüfung. Das Team entwickelte eine Technik namens Rückkopplungstomografie, um verbleibende Fehler mit weniger Messungen zu erkennen, als herkömmliche Ansätze erfordern würden.
Die Filterung war selektiv. Nur etwa 8 % der ursprünglichen Versuche bestanden jede Prüfung. Dieser Kompromiss gehört zu den praktischen Fragen rund um die Kultivierung: Eine Technik kann die Qualität der akzeptierten Zustände stark verbessern und dennoch wiederholte Versuche erfordern. Der relevante Vergleich betrifft daher nicht nur die Fehlerrate der überlebenden Zustände, sondern die Gesamtkosten, die nötig sind, um genügend Zustände für eine nützliche Berechnung zu erzeugen.
Warum magische Zustände wichtig sind
Quantenprozessoren können manche Operationen natürlicher ausführen als andere. Für die anspruchsvollsten Formen der Quanteninformatik benötigen Forscher sorgfältig vorbereitete Ressourcen, mit denen das System die erforderlichen fortgeschrittenen Operationen ausführen kann. Magische Zustände sind eine solche Ressource.
Die Kosten für die Erzeugung zuverlässiger magischer Zustände können daher die Größe und Gestaltung einer künftigen fehlertoleranten Maschine beeinflussen. Eine Methode, die mit insgesamt weniger Ressourcen bessere Zustände erzeugt, könnte weit über eine einzelne Labordemonstration hinaus Bedeutung haben. Umgekehrt beweist ein starkes Ergebnis bei einer Komponente allein noch keinen vollständigen fehlertoleranten Quantencomputer. Letztlich muss die Methode mit zuverlässigen Qubits, Fehlererkennung, Steuerungssystemen und den weiteren Elementen einer vollständigen Architektur zusammenspielen.
Das Willow-Ergebnis ist bemerkenswert, weil es einen Ansatz, der zuvor nicht erfolgreich auf echter Hardware getestet worden war, den Unvollkommenheiten eines supraleitenden Prozessors aussetzt. Das Experiment führt die Idee damit von einer theoretischen Möglichkeit zu einem Ingenieursergebnis, das sich an den Einschränkungen der Hardware messen lässt.
Ein Meilenstein mit weiterhin offenen praktischen Fragen
Das berichtete Ergebnis sollte am besten als Demonstration eines vielversprechenden Werkzeugs verstanden werden, nicht als Erklärung, dass die Quantenfehlerkorrektur gelöst sei. Das Experiment zeigt, dass geschützte verrauschte Zustände geprüft und verfeinert werden können und dass die daraus hervorgehenden akzeptierten Zustände deutlich geringere Fehler aufweisen können.
Seine Bedeutung liegt in der Verbindung von Hardwareleistung und Überprüfung. Das Team hat nicht lediglich vorgeschlagen, dass die Kultivierung funktionieren sollte: Es codierte einen verrauschten Zustand, prüfte ihn mit Hilfsqubits, verwarf fehlgeschlagene Versuche und maß die Qualität der Zustände, die die Prüfungen überstanden. Die neue Tomografiemethode war ein Teil davon, diese Messungen bei der berichteten Fehlerhöhe praktikabel zu machen.
In der Quanteninformatik entsteht Fortschritt häufig durch Verbesserungen auf Komponentenebene. Eine bessere Vorbereitung einer kritischen Ressource kann das technische Gleichgewicht größerer Systeme verändern, auch wenn noch viele schwierige Schritte ausstehen. Das 40-fache Ergebnis von Google Quantum AI liefert Hinweise darauf, dass die Kultivierung magischer Zustände neben etablierten Ansätzen berücksichtigt werden sollte, während Forscher auf zuverlässige Quantenberechnungen hinarbeiten.
Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Den Originalartikel lesen.
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