Quantencomputer erfordern eine präzise Kontrolle über sehr kleine Systeme, z.B. einzelne Atome. Bei der derzeitigen Technologie treten Fehler auf. Für bestimmte Anwendungen und Algorithmen ist eine Fehlerminderung deswegen unerlässlich. Das Projekt R-QIP befasst sich mit Techniken zur Quantenfehlerkorrektur, um Quantenberechnungen vor Fehlern zu schützen.
Quantencomputer können Probleme lösen, die für klassische Computer nicht zu bewältigen sind. Durch Nutzung der Gesetze der Quantenphysik eröffnen sich enorme Möglichkeiten in nahezu allen Anwendungsbereichen – von der Verkehrssimulation über Medikamentenentwicklung bis zur leistungsfähigeren KI.
Doch die Qubits (die quantenphysikalischen Pendants zu den klassischen Bits) sind von Natur aus anfällig für Fehler und Informationsverluste, die durch unerwünschte Wechselwirkungen mit der Umwelt verursacht werden. Die Korrektur der Fehler, die sich über die Zeit der Quantenberechnung anhäufen, ist eine zentrale Voraussetzung für den zuverlässigen Einsatz von Quantencomputern.
Alle bisher realisierten Quantencomputer arbeiten mit einer Rechenkapazität von 50 bis zu mehreren Hundert Qubits und sind noch sehr fehleranfällig. Dies wird als NISQ-Ära bezeichnet (Noisy Intermediate Scale Quantum). Das bedeutet in der Praxis, dass die Anzahl der Qubits bereits groß genug ist, um komplexe Probleme zu lösen (intermediate scale), doch die Ergebnisse werden durch Rauschen (noisy) verfälscht.
Damit also Quantenberechnung in der Praxis möglich ist, ist die Einführung einer Quantenfehlerkorrektur erforderlich, die darin besteht, logische (oder Informations-) Qubits durch eine größere Anzahl physikalischer (oder encodierter) Qubits darzustellen. Sind also einige physikalische Qubits fehlerhaft, können die restlichen dazu benutzt werden die logischen Qubits wiederherzustellen.
Wichtig ist aber, dass die Quantenfehlerkorrektur so effizient wie möglich ist, damit die wenigen verfügbaren Qubits nicht weitestgehend für Fehlerkorrektur, sondern für Rechenoperationen genutzt werden können.
Das Ziel von R-QIP ist, Quantenberechnung zukünftig zuverlässig und effizient zu gestalten – mit Hilfe von Fehlermodellen, Simulatoren für Quanten-Fehlerkorrekturalgorithmen und neuen Decodern für die Quantenfehlerkorrektur. Es werden Quantencodes untersucht, die weniger physische Qubits benötigen, um ein (zuverlässiges) logisches Qubit zu implementieren. Neuartige Klassen von Quantencodes könnten diese Ineffizienz erheblich reduzieren, wie beispielsweise QLDPC-Codes (Quantum Low-Density Parity-Check) oder Quantenpolarcodes. In der Praxis ist deren Leistungsfähigkeit noch nicht ausreichend untersucht.
R-QIP - zuverlässige Verarbeitung von Quanteninformation
Die Grafik zeigt die verschiedenen Arbeitsregime, die durch Variation der Anzahl der Qubits und ihrer Zuverlässigkeit erreicht werden: Gestrichelte Linie:
- Gestrichelte Linie: Schwellenwert für die Fehlerkorrektur, d. h. die Mindestzuverlässigkeit, die erforderlich ist, um von Quantenfehlerkorrektur zu profitieren.
- dunkelgraue Fläche: Bereich, der mit einem klassischen Computer simuliert werden kann.
- grüne Fläche: Bereich, in dem eine große Anzahl zuverlässiger Qubits vorhanden ist, so dass Quantencomputer eine Vielzahl von Problemen bewältigen können.
- dunkelgelbe Fläche: steht für die so genannten verrauschten Quantencomputer auf mittlerer Skala (NISQ), bei denen sowohl die Anzahl der Qubits als auch ihre Zuverlässigkeit begrenzt sind. In diesem Bereich können Quantencomputer bei bestimmten Problemen (z. B. in der Quantenchemie) besser abschneiden als klassische Computer.
