Quantencomputer nutzen die Prinzipien der Quantenmechanik zur Verschlüsselung und Verarbeitung von Daten, was bedeutet, dass sie eines Tages Rechenprobleme lösen könnten, die mit den heutigen Computern unlösbar sind. Während letztere mit Bits arbeiten, die entweder eine 0 oder eine 1 darstellen, verwenden Quantencomputer Quantenbits oder Qubits - die grundlegenden Einheiten der Quanteninformation.
"Mit Anwendungen, die von der Entdeckung von Medikamenten bis zur Optimierung und Simulation komplexer biologischer Systeme und Materialien reichen, hat das Quantencomputing das Potenzial, weite Bereiche der Wissenschaft, der Industrie und der Gesellschaft zu verändern", sagt Vincenzo Savona, Direktor des Zentrums für Quantenwissenschaften und -technik der EPFL.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Qubits in einer "Überlagerung" der Zustände 0 und 1 gleichzeitig existieren. So können Quantencomputer mehrere Lösungen gleichzeitig erforschen, was sie bei bestimmten Rechenaufgaben viel schneller machen könnte. Quantensysteme sind jedoch anfällig für Fehler, die durch Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung verursacht werden.
"Die Entwicklung von Strategien zum Schutz der Qubits oder zur Erkennung und Korrektur von Fehlern, sobald sie aufgetreten sind, ist unerlässlich, um die Entwicklung von fehlerunempfindlichen Quantencomputern in großem Maßstab zu ermöglichen", fügt Vincenzo Savona hinzu. Gemeinsam mit den Physikern Luca Gravina und Fabrizio Minganti von der EPFL hat er einen bedeutenden Fortschritt erzielt, indem er einen "kritischen Schrödinger-Katzen-Code" für eine bessere Fehlerresistenz vorschlug. Die Studie stellt ein neues Codierungsschema vor, das die Zuverlässigkeit von Quantencomputern revolutionieren könnte.
...haben wir ein System entwickelt, das seine Vorgänger übertrifft, was einen bedeutenden Fortschritt für Chat-Qubits und das gesamte Quantencomputing darstellt.
Was ist ein "kritischer Schrödinger-Katzencode"?
1935 schlug der Physiker Erwin Schrödinger ein Gedankenexperiment vor, um die damals gängige Interpretation der Quantenmechanik, die Kopenhagener Interpretation, zu widerlegen. In Schrödingers Experiment wird eine Katze in eine geschlossene Box mit einem Giftfläschchen und einer radioaktiven Quelle gesetzt. Wenn auch nur ein Atom der radioaktiven Quelle zerfällt, wird die Radioaktivität von einem Geigerzähler erfasst, der daraufhin das Fläschchen explodieren lässt. Das Gift wird freigesetzt und tötet die Katze.Gemäß der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik, wenn sich das Atom anfänglich in einer Überlagerung von zwei Zuständen befindet, wird die Katze dies ebenfalls sein und sich gleichzeitig in den Zuständen tot und lebendig befinden. "Dieser Zustand stellt genau das Konzept des Quantenbits dar, das auf makroskopischer Ebene realisiert wird", sagt Vincenzo Savona.
In den letzten Jahren haben sich Wissenschaftler von Schrödingers Katze inspirieren lassen und eine Codierungstechnik entwickelt, die als "Schrödingers Katzencode" bezeichnet wird. Hier werden die Zustände 0 und 1 des Qubits auf zwei entgegengesetzte Phasen eines elektromagnetischen Feldes codiert, das in einem Hohlraumresonator schwingt, ähnlich wie die toten und lebendigen Zustände der Katze.
"Schrödinger-Katzen-Codes wurden in der Vergangenheit mit zwei verschiedenen Ansätzen realisiert", erklärt Vincenzo Savona. Der eine nutzt die anharmonischen Effekte im Hohlraum aus, der andere stützt sich auf sorgfältig ermittelte Hohlraumverluste. In unserer Arbeit haben wir beide kombiniert und dabei das Beste aus beiden Ansätzen beibehalten. Obwohl sie zuvor als ineffizient galt, führt diese Kombination der Ansätze zu einer verbesserten Fehlerunterdrückung". Die Grundidee ist, in der Nähe des kritischen Punkts eines Phasenübergangs zu operieren, worauf sich der "kritische" Teil des Critical-Chat-Codes bezieht.
Ein weiterer Vorteil des kritischen Chatcodes ist seine außergewöhnliche Resistenz gegen Fehler, die durch zufällige Frequenzverschiebungen entstehen, die bei Operationen mit mehreren Qubits oft ein großes Problem darstellen. Dies löst ein großes Problem und ebnet den Weg für die Entwicklung von Geräten mit mehreren Qubits, die miteinander interagieren, was die Mindestanforderung für die Herstellung eines Quantencomputers ist.
"Wir zähmen die Quantenkatze", gesteht Vincenzo Savona. Durch die Kombination zweier Ansätze haben wir ein System entwickelt, das seine Vorgänger übertrifft, was einen bedeutenden Fortschritt für Katzenqubits und das gesamte Quantencomputing darstellt." Diese Studie ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu leistungsfähigeren Quantencomputern und zeigt das Bestreben der EPFL, den Bereich der Quantenwissenschaft voranzutreiben und das Potenzial der Quantentechnologien zu enthüllen.
