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Qubits: Gegen den Quanten-Fehlerteufel

Die ungewöhnlichen Eigenschaften, die Quantencomputer besonders leistungsfähig machen, bedingen gleichzeitig ihre größte Schwäche: die extreme Störungsanfälligkeit. Neue Techniken sollen die Fehler nun schneller beheben, als sie sich ansammeln können.
Die Informatiker haben gezeigt, dass man –gerade in der Quantenmechanik – Unendlichkeiten nicht immer durch große endliche Systeme annähern kann.

Fehler sind unausweichlich. Sie begleiten unser alltägliches Leben: Man macht sie beim Autofahren, Kochen oder Kommunizieren. Auch im professionellen Kontext begegnet man ihnen, sei es in der Bildverarbeitung oder bei Rechenaufgaben. Fehler auszubessern und sie möglichst selten eintreten zu lassen, ist notwendig für das Funktionieren von Geräten, aber auch der Gesellschaft als Ganzes.

Glücklicherweise sind die meisten Systeme nicht auf exakte Präzision angewiesen. Man kann beispielsweise eine leicht zerkratzte DVD abspielen, und QR-Codes bleiben lesbar, selbst wenn sie unscharf oder verzerrt sind. Daten, die Raumsonden im All aufnehmen, legen hunderte Millionen Kilometer zur Erde zurück und erscheinen trotzdem erstaunlich scharf auf unseren Bildschirmen. All das ist dank ausgeklügelter Korrekturmethoden möglich, die inzwischen zu den wichtigsten Konzepten der Informationstechnologie zählen. Fehler sind zwar unvermeidlich, aber behebbar.

In den letzten Jahren ist die Fehlerkorrektur durch den Aufstieg der Quantencomputer wieder in den Fokus der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit gerückt. Indem die neuartigen Maschinen die Gesetze der Quantenphysik nutzen, können sie einige Probleme lösen, die für klassische Computer nicht zu bewältigen sind. Das eröffnet enorme Möglichkeiten in nahezu allen Anwendungsbereichen – von der Medikamentenherstellung bis zu Verkehrssimulationen. Allerdings sind die Geräte extrem anfällig: Es können Fehler auftreten, die gewöhnlichen Rechnern völlig fremd sind …

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  • Quellen

Altman, E. et al.: Quantum simulators: Architectures and opportunities. Physical Review X Quantum 2, 2021

Bravyi, S. et al.: Mitigating measurement errors in multiqubit experiments. Physical Review A 103, 2021

Bravyi, S., Kitaev, A.: Universal quantum computation with ideal Clifford gates and noisy ancillas. Physical Review A 71, 2005

Eastin, B., Knill, E.: Restrictions on transversal encoded quantum gate sets. Physical Review Letters 102, 2009