IBM-Forscher haben in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen und Quantum Elements den bisherigen Rekord für nachhaltige High-Fidelity-Quantenberechnung auf supraleitenden Qubits gebrochen. Der Durchbruch, der am 27. Februar in Nature Communications veröffentlicht wurde, befasst sich mit einer zentralen Herausforderung im Quantencomputing: der Aufrechterhaltung stabiler Berechnungen lange genug, um komplexe Algorithmen auszuführen.
Das Problem der Quanteninstabilität
Quantencomputer nutzen Qubits, das Quantenäquivalent von Bits, um Informationen zu verarbeiten. Im Gegensatz zu klassischen Bits sind Qubits von Natur aus zerbrechlich und anfällig für Rauschen selbst durch geringfügige Vibrationen oder Umweltstörungen. Diese Fragilität zwingt Wissenschaftler dazu, mehrere physische Qubits als eine Form der Redundanz zu „logischen Qubits“ zusammenzufassen, aber selbst dieser Ansatz ist anfällig für „logische Fehler“ – bei denen mehrere physische Qubits gleichzeitig ausfallen und die Berechnung verfälschen.
Besonders akut ist das Problem bei den 127-Qubit-Prozessoren „Kyiv“ und „Marrakesh“ von IBM, die unter einer bestimmten Art von Rauschen namens „ZZ Crosstalk“ leiden. Herkömmliche Fehlerkorrekturmethoden haben Schwierigkeiten, effektiv zu skalieren, ohne zusätzliche Fehler einzuführen.
Die Lösung: Normalizer Dynamical Decoupling (NDD)
Das Forschungsteam entwickelte ein neuartiges hybrides Fehlerunterdrückungsprotokoll namens Normalizer Dynamical Decoupling (NDD). Anstatt Rauschunterdrückungsimpulse allein auf Hardwareebene anzuwenden, passt NDD das Timing dieser Impulse an, um sie mit dem ausgeführten Quantencode zu synchronisieren. Dies erfordert einen mathematischen „Normalisierer“, der die Impulse dynamisch abstimmt, sodass sie dem Rauschen effizienter entgegenwirken können.
Die Ergebnisse sind aussagekräftig:
* Die maximale Codierungstreue erreichte 98,05 % – höher als alle zuvor gemessenen Werte.
* Diese Wiedergabetreue wurde 55 Mikrosekunden lang bei 84,87 % gehalten, mehr als das Doppelte des vorherigen Rekords von 27 Mikrosekunden.
Warum das wichtig ist
Je länger ein Quantencomputer die hohe Wiedergabetreue aufrechterhalten kann, desto komplexere Berechnungen kann er durchführen. Anhaltende 55 Mikrosekunden ermöglichen etwa 4.500 bis 5.500 aufeinanderfolgende Quantenoperationen vor der Datenverschlechterung. Auch wenn dies inkrementell erscheinen mag, ist es eine wesentliche Verbesserung.
Das ultimative Ziel des Quantencomputings besteht darin, Probleme zu lösen, die für klassische Computer unmöglich sind, wie etwa das Aufbrechen moderner Verschlüsselung. Aufgaben wie die Ausführung von Shors Algorithmus könnten auf einem leistungsfähigen Quantensystem Wochen oder Monate dauern, verglichen mit Billionen von Jahren auf einer klassischen Maschine.
Dieser Meilenstein rückt diese Zukunft näher und zeigt, dass eine nachhaltige Quantenberechnung mit hoher Wiedergabetreue möglich ist. Der Erfolg des Teams unterstreicht die Bedeutung hybrider Fehlerunterdrückungstechniken und dynamischer Optimierung für die Weiterentwicklung der Quantentechnologie.
