Ferdinand Kuemmeth: Die Messung, die Quantenbits zuverlässiger macht

Einem physikalischen Forschungsteam unter der Federführung von Ferdinand Kuemmeth, welcher Lehrstühle in Regensburg sowie am dänischen Niels-Bohr-Institut innehat, glückte eine maßgebliche Reduktion der Ungenauigkeiten innerhalb von Quantenbits. Eine zusätzliche Messung der Quantenbits vor jeder Rechenoperation reduziert die Fehlerquote um mehr als die Hälfte. Grundlage ist ein bislang unterschätztes Problem: Die Resonanzfrequenz der verwendeten Qubits wechselte unkontrolliert zwischen zwei bekannten Werten.

Fehlerquelle entdeckt

Das untersuchte Qubit bestand aus einem supraleitenden elektrischen Schaltkreis auf einem Chip. Solche Schaltkreise gelten als eine der aussichtsreichsten Bauweisen für Quantencomputer, reagieren aber empfindlich auf kleinste Störungen.

Im Experiment zeigte sich, dass die Resonanzfrequenz des Qubits zwischen zwei bekannten Werten sprang, ohne dass dies kontrolliert werden konnte. Ohne eine Anpassung an diesen Sprung schwankte die Qualität der Quantenrechnungen im Zeitverlauf deutlich.

So funktioniert die Messung

Das Team löste das Problem mit einer Messung in quantenmechanischer Überlagerung, die anzeigt, welche der beiden Resonanzfrequenzen gerade aktiv ist. Auf Basis dieser Information werden die Steuersignale in Echtzeit angepasst.

Mit aktiviertem Feedback arbeitete das Qubit anschließend konstant mit hoher Genauigkeit. Das Verfahren funktioniert bislang nur, wenn die möglichen Frequenzen vorab bekannt sind, sich ausreichend unterscheiden und über einen gewissen Zeitraum stabil bleiben, damit die angepassten Steuersignale wirken können.

Internationale Zusammenarbeit

Beteiligt war außerdem Fabrizio Berritta, der als Marie-Skłodowska-Curie-Postdoktorand im Rahmen des QuARTEC-Projekts an der Universität Regensburg forscht und parallel Mitglied der Engineering Quantum Systems Group am Massachusetts Institute of Technology ist. Berritta steuerte die Quantencomputer-Hardware vom MIT aus fern, während die eigentlichen Experimente am Israeli Quantum Computing Center liefen.

Zahlen im Detail

Die durchschnittliche Fehlerrate sank im Experiment von etwa 0,14 % auf 0,065 %. Verglichen mit den höchsten gemessenen Fehlerwerten ohne Feedback-Mechanismus betrug die Verringerung mehr als drei Viertel.

Kuemmeth sieht die Methode als wertvollen Baustein bei der Skalierung künftiger Quantencomputer, da stabilere Quantenbits die Grundlage für größere, verlässlichere Systeme bilden. Bereits zuvor hatte er Verfahren entwickelt, mit denen sich zunächst unbekannte Qubit-Frequenzen automatisch und effizient ermitteln lassen.