Quantencomputer haben ein enormes Potenzial, in bestimmten Bereichen könnten sie (bzw können sie teilweise bereits) Probleme, für die ein heutiger Supercomputer Jahrzehnte oder noch länger brauchen würde, in wenigen Sekunden lösen. Aber sie haben aktuell (u.a.) noch ein großes Problem, welches der produktiven Anwendung solcher Systeme noch im Wege steht – die Fehleranfälligkeit von Qubits.
Schrödingers Katze sorgt für Durchbruch
Bisher konnte man keine effektive Fehlerkorrektur für Quantencomputer entwickeln, doch nun wollen Wissenschaftler:innen einen Durchbruch zur Lösung dieses Problems erreicht haben, und zwar mit Hilfe einer Katze! Dabei handelt es sich natürlich nicht um eine gewöhnliche Katze, sondern vielmehr um die berühmte Katze aus dem Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger.
Bei der neuen Methode werden Quanteninformationen auf ein Antimon-Atom kodiert, welches acht mögliche Zustände besitzt. Das sorgt dafür, dass die Informationen deutlich sicherer gespeichert werden können als mit einem üblichen Qubit, welches nur über zwei Zustände verfügt. Damit sollen Fehler in entsprechenden Quantensystemen sowohl seltener auftreten als auch leichter zu erkennen (und damit korrigierbar) werden. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher:innen am Mittwoch, dem 14. Januar, in der Fachzeitschrift Nature Physics.
Worum geht es bei Schrödingers Katze?
Das Gedankenexperiment um Schrödingers Katze soll die, im Vergleich zu der Welt, die wir jeden Tag erleben, eher ungewöhnlichen Regeln der Quantenwelt verbildlichen: Eine Katze wird in eine Box gesperrt (als ob sie da nicht sowieso freiwillig rein ginge^^), in welcher sich eine Apparatur befindet, welche von einem zufälligen quantenmechanischen Zerfallsprozess gesteuert wird. Diese Apparatur gibt, wenn sie ausgelöst wird, ein Gift frei, welches die Katze tötet.
In unserer makroskopischen Welt spielt es keine Rolle, dass wir nicht in die Box hineinsehen können, entweder wurde die Apparatur noch nicht ausgelöst und die Katze lebt noch, oder sie wurde ausgelöst und die Katze ist tot, ob wir davon wissen, interessiert die Katze nicht.
In der Quantenwelt hingegen sieht das anders aus, hier ist die Katze so lange, wie wir die Box nicht öffnen und hineinsehen, gleichzeitig tot und lebendig. Erst wenn wir die Box öffnen „entscheidet“ sie sich für einen Zustand.
Wie hilft das nun bei dem Problem der Fehlerkorrektur?
In einem üblichen Qubit können wie gesagt Informationen durch zwei verschiedene Zustände kodiert werden, den „Spin-Up“ und den „Spin-Down“. Ändert sich dieser „Spin“ durch Störungen in dem Quantencomputer, so gehen diese Informationen verloren. Die Forscher:innen nutzten nun ein Antimon-Atom mit acht Spin-Richtungen, welches sie in einen Quantenchip einbetteten, um dieses Problem zu lösen. Durch die sechs zusätzlichen Spins reicht nun ein einziger Fehler nicht mehr aus, damit die Information verloren geht.
Wie das Sprichwort sagt, hat eine Katze neun Leben. Ein kleiner Kratzer reicht nicht, um sie zu töten. … Unsere metaphorische ‚Katze‘ hat sieben Leben: Es würde sieben aufeinanderfolgende Fehler benötigen, um die ‚0‘ in eine ‚1‘ zu verwandeln!
so Benjamin Wilhelm, Doktorand für Elektrotechnik und Telekommunikation an der University of New South Wales (UNSW) in Australien und Mitautor der Studie.
Mit diesem System erhoffen sich die Forscher:innen nun eine Methode entwickeln zu können, mit welcher sie Fehler auf ihrem Chip erkennen und korrigieren können. Sollten sie dies tatsächlich schaffen, so wäre das im Grunde, als würden sie den „heiligen Gral“ der Quantencomputer-Technik entdecken.
Wenn ein Fehler auftritt, erkennen wir ihn sofort und können ihn korrigieren, bevor sich weitere Fehler ansammeln. Um das ‚Schrödingers-Katze‘-Metapher fortzusetzen: Es ist, als ob wir sehen, wie unsere Katze mit einem großen Kratzer nach Hause kommt. Sie ist weit davon entfernt, tot zu sein, aber wir wissen, dass sie in einen Kampf geraten ist; wir können herausfinden, wer den Kampf verursacht hat, bevor es erneut passiert und unsere Katze weitere Verletzungen erleidet.
(Andrea Morello, Professor für Elektrotechnik und Quantenphysik an der University of New South Wales (UNSW)).
Fazit
Dies ist nicht der erste hoffnungsvolle Ansatz zur Lösung des Problems der Fehlerkorrektur, erst Anfang vergangenen Jahres erklärte Microsoft man habe einen Algorithmus entwickelt, welcher einen Durchbruch bezüglich der Fehlerkorrektur bedeute.
Bis Quantencomputer jedoch tatsächlich „Marktreif“ sind, dürfte es noch einige Zeit dauern. Zudem sind Quantencomputer bei weitem nicht die „eierlegende Wollmilchsau“ für die sie oft gehalten werden. So werden wir zum Beispiel ziemlich sicher nie einen Quantencomputer bei uns zu Hause stehen haben und auch so etwas wie „Quanten-Gaming“ oder ähnliches ist eher nicht zu erwarten, da sich Quantencomputer nur für sehr spezielle (aber durchaus wichtige!) Aufgaben eignen.
