06.09.2021

Quantenteleportation erlaubt Fehlerkorrektur in Quantencomputern

Physiker der ÖAW und der Universität Wien haben mit Kolleg/innen aus China und Japan erstmals einen Mechanismus zur Fehlerkorrektur in Quantencomputern experimentell realisiert.

Versuchsaufbau im Quantenlabor an der ÖAW zur Verschränkung von Lichtteilchen (Photonen). © Klaus Pichler/ÖAW
Versuchsaufbau im Quantenlabor an der ÖAW zur Verschränkung von Lichtteilchen (Photonen). © Klaus Pichler/ÖAW

Quantencomputer sind hochkomplex und reagieren empfindlich auf äußere Einflüsse. Das macht es schwierig, Berechnungen durchzuführen, weil sich immer Fehler einschleichen können, etwa wenn ein Quanten-Bit (Qubit) ungewollt seinen Zustand ändert. In einem klassischen Computer entspräche das dem unerwünschten schalten eines Bits von 0 auf 1 oder umgekehrt. Dort können Fehler korrigiert werden, indem ein Bit mehrfach kopiert wird. Die Mehrheit der Kopien behält den richtigen Wert, auch wenn sich einzelne Fehler einschleichen. In der Quantenwelt ist das deutlich komplizierter, da sich Quanteninformation nicht kopieren lässt.
 
Ein Team aus Quantenphysiker/innen um Anton Zeilinger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien sowie um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China hat hier einen Durchbruch erzielt. In einer aktuellen Publikation in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) präsentieren die Forschenden die experimentelle Umsetzung eines praktikablen Fehlerkorrekturmechanismus.

Teleportation als Schlüssel

“Wir haben gezeigt, dass sich Fehlerkorrektur in optischen Quantencomputern umsetzen lässt. Das aktuelle Ergebnis ist aber erst ein Machbarkeitsnachweis. Bevor wir das in brauchbaren Quantenrechnern anwenden können, sind viel Arbeit und einige Verbesserungen notwendig”, sagt Manuel Erhard vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW. Der zugrundeliegende Ansatz ist aber flexibel genug, um in Zukunft tatsächlich Fehlerkorrektur von Quanteninformation in Quantencomputern und sicheren Quantenkommunikationsnetzwerken zu erlauben.
 
Der Schlüssel zur praktikablen Fehlerkorrektur ist die Quantenteleportation. Dabei wird die Information, die ein Quantenobjekt trägt, auf ein anderes übertragen. Im Experiment wird die Information eines einzelnen Qubits in ein System aus neun Qubits teleportiert, mit dem dann zum Beispiel ein Quantencomputer Berechnungen anstellen kann. Wenn sich Fehler wie ungewolltes Schalten des Qubits einschleichen, können die Forscher/innen das im 9-Qubit-System erkennen und das Ergebnis verwerfen. Durch Verbesserungen könnte in Zukunft auch eine direkte Korrektur der Fehler durchgeführt werden, wodurch sich die Effizienz weiter erhöhen ließe.

Robuster gegenüber Fehlern

Umgesetzt haben die Forscher/innen den Mechanismus im Experiment mithilfe von drei Photonenpaaren, die in komplizierte Verschränkungszustände gebracht werden. Eines der sechs Photonen trägt die Information, die gegen Fehler gesichert werden soll. Drei weitere Photonen fungieren als das 9-Qubit-System, das die Information erhält und die Entdeckung von Fehlern ermöglicht. Die restlichen zwei Photonen werden für den eigentlichen Teleportationsprozess und die Kontrolle des Systems gebraucht. Das 9-Qubit-System entspricht in diesem Aufbau am Ende einem einzigen fehlerkorrigierten Qubit, die Methode erlaubt aber auch die Implementation beliebiger anderer Quantensysteme als funktionale, fehlerkorrigierte Qubits.
 
„Mit unserem Experiment konnten wir die Qualität der Qubits signifikant erhöhen“, sagt Quantenphysiker Anton Zeilinger: „Das ist ein wichtiger erster Schritt, um Quantencomputer robuster gegenüber Fehlern zu machen.“

 

Auf einen Blick

Publikation:
 
„Quantum teleportation of physical qubits into logical code spaces“, Yi-Han Luo, Ming-Cheng Chen, Manuel Erhard, Han-Sen Zhong, Dian Wu, Hao-Yang Tanga, Qi Zhao, Xi-Lin Wang, Keisuke Fujii, Li Li, Nai-Le Liu, Kae Nemoto, William J. Munro, Chao-Yang Lu, Anton Zeilinger, and Jian-Wei Pan, PNAS, 2021
DOI: 10.1073/pnas.2026250118