Quantencomputing nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um Daten zu kodieren und zu verarbeiten, was bedeutet, dass es eines Tages Rechenprobleme lösen könnte, die mit aktuellen Computern nicht zu lösen sind. Während letztere mit Bits arbeiten, die entweder eine 0 oder eine 1 darstellen, nutzen Quantencomputer Quantenbits oder Qubits – die Grundeinheiten der Quanteninformation.
„Mit Anwendungen, die von der Arzneimittelforschung bis zur Optimierung und Simulation komplexer biologischer Systeme und Materialien reichen, hat Quantencomputing das Potenzial, weite Bereiche der Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft neu zu gestalten“, sagt Professor Vincenzo Savona, Direktor des Zentrums für Quantenwissenschaft und -technik an der EPFL.
Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits gleichzeitig in einer „Überlagerung“ der Zustände 0 und 1 existieren. Dadurch können Quantencomputer mehrere Lösungen gleichzeitig untersuchen, was sie bei bestimmten Rechenaufgaben deutlich schneller machen könnte. Allerdings sind Quantensysteme empfindlich und anfällig für Fehler, die durch Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung verursacht werden.
„Die Entwicklung von Strategien, um Qubits entweder davor zu schützen oder Fehler zu erkennen und zu korrigieren, sobald sie aufgetreten sind, ist entscheidend für die Entwicklung großer, fehlertoleranter Quantencomputer“, sagt Savona. Zusammen mit den EPFL-Physikern Luca Gravina und Fabrizio Minganti gelang ihnen ein bedeutender Durchbruch, indem sie einen „kritischen Schrödinger-Katzencode“ für eine verbesserte Fehlerresistenz vorschlugen. Die Studie stellt ein neuartiges Kodierungsschema vor, das die Zuverlässigkeit von Quantencomputern revolutionieren könnte.
Was ist ein „kritischer Schrödinger-Katzencode“?
Im Jahr 1935 schlug der Physiker Erwin Schrödinger ein Gedankenexperiment als Kritik am damals vorherrschenden Verständnis der Quantenmechanik vor – der Kopenhagener Interpretation. In Schrödingers Experiment wird eine Katze in eine versiegelte Kiste mit einer Flasche Gift und einer radioaktiven Quelle gebracht. Wenn ein einzelnes Atom der radioaktiven Quelle zerfällt, wird die Radioaktivität von einem Geigerzähler erfasst, der daraufhin den Kolben zerbricht. Das Gift wird freigesetzt und tötet die Katze.
Nach der Kopenhagener Sichtweise der Quantenmechanik erbt die Katze denselben Zustand und befindet sich in einer Überlagerung von Lebendig und Tot, wenn sich das Atom zunächst in einer Überlagerung befindet. „Dieser Zustand repräsentiert genau die Vorstellung eines Quantenbits, realisiert auf makroskopischer Ebene“, sagt Savona.
In den vergangenen Jahren haben sich Wissenschaftler von Schrödingers Katze inspirieren lassen, um eine Kodierungstechnik namens „Schrödingers Katzencode“ zu entwickeln. Hier werden die 0- und 1-Zustände des Qubits auf zwei entgegengesetzte Phasen eines oszillierenden elektromagnetischen Feldes in einem Resonanzhohlraum kodiert, ähnlich wie die toten oder lebendigen Zustände der Katze.
„Schrödinger-Katzencodes wurden in der Vergangenheit mit zwei unterschiedlichen Ansätzen realisiert“, erklärt Savona. „Das eine nutzt anharmonische Effekte im Hohlraum, das andere beruht auf sorgfältig konstruierten Hohlraumverlusten. In unserer Arbeit haben wir die beiden überbrückt, indem wir in einem Zwischenregime operierten und das Beste aus beiden Welten kombinierten. Obwohl zuvor angenommen, dass es unfruchtbar ist, ist dieses hybride Regime.“ führt zu einer verbesserten Fehlerunterdrückung.“ Die Kernidee besteht darin, nahe am kritischen Punkt eines Phasenübergangs zu arbeiten, auf den sich der „kritische“ Teil des Critical-Cat-Codes bezieht.
Der kritische Cat-Code hat einen weiteren Vorteil: Er weist eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Fehlern auf, die durch zufällige Frequenzverschiebungen entstehen, die bei Operationen mit mehreren Qubits oft erhebliche Herausforderungen darstellen. Dies löst ein großes Problem und ebnet den Weg zur Realisierung von Geräten mit mehreren miteinander interagierenden Qubits – die Mindestvoraussetzung für den Bau eines Quantencomputers.
„Wir zähmen die Quantenkatze“, sagt Savona. „Durch den Betrieb in einem Hybridmodus haben wir ein System entwickelt, das seine Vorgänger übertrifft, was einen bedeutenden Fortschritt für Katzen-Qubits und Quantencomputing insgesamt darstellt. Die Studie ist ein Meilenstein auf dem Weg zum Bau besserer Quantencomputer und stellt Vorzeigebeispiele dar.“ Das Engagement der EPFL für die Weiterentwicklung des Bereichs der Quantenwissenschaft und die Erschließung des wahren Potenzials der Quantentechnologien.
