Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

18.12.2017

Heute verfügbare Ionenfallen-Technologien eignen sich als Basis für den Bau von großen Quantencomputern. Das zeigen Untersuchungen eines internationalen Forscherteams, deren Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurden. Die Wissenschaftler haben für Ionenfallen maßgeschneiderte Protokolle entwickelt, mit denen auftretende Fehler jederzeit entdeckt und korrigiert werden können.

Damit die heute existierenden Prototypen von Quantencomputern ihr volles Potenzial entfalten, müssen sie erstens viel größer werden, d.h. über deutlich mehr Quantenbits verfügen, und zweitens mit Fehlern umgehen können. „Aufwändige Rechnungen scheitern heute noch daran, dass die Systeme aufgrund von Störungen aus dem Ruder laufen“, sagt Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Akademieinstitut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI).


Ein mehrstufiger Korrekturprozess sorgt im Quantencomputer für fehlerfreies Rechnen.

IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

„Durch Fehlerkorrektur lässt sich dieser Prozess eindämmen.“ Jeder herkömmliche Computer nutzt solche Verfahren, um Fehler bei der Speicherung und Übertragung von Daten zu erkennen und möglichst zu korrigieren. Dazu wird vor der Datenspeicherung oder Übertragung den Daten Redundanz hinzugefügt, meist in Form zusätzlicher Bits, die zum Erkennen und Korrigieren von Fehlern genutzt wird.

Auch für den Quantencomputer wurden ähnliche Verfahren entwickelt, die im Wesentlichen darin bestehen, die Quanteninformation in mehreren, miteinander verschränkten physikalischen Quantenbits zu speichern.

„Hier werden die Eigenschaften der Quantenwelt genutzt, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren“, beschreibt Markus Müller von der Swansea University in Großbritannien. „Wenn es gelingt, die Störungen unter eine bestimmte Schwelle zu drücken, können wir Quantencomputer für beliebig komplexe Rechnungen bauen, indem wir die Zahl der verschränkten Quantenbits entsprechend erhöhen.“

Ionen im Labyrinth gefangen

Gemeinsam mit seinem Kollegen Alejandro Bermudez Carballo betont Markus Müller, dass auf dem Weg zu diesem Ziel die Möglichkeiten der technologischen Plattformen bestmöglich ausgenutzt werden müssen. „Für die Fehlerkorrektur benötigen wir Quantenschaltkreise, die besonders stabil sind und auch unter realistischen Bedingungen verlässlich arbeiten, sogar wenn während der Fehlerkorrektur selbst zusätzliche Fehler auftreten“, erklärt Bermudez.

Sie gemeinsam haben eine Reihe von fehlertoleranten Protokollen weiterentwickelt und untersucht, wie diese mit den heute verfügbaren Operationen auf Quantencomputern umgesetzt werden können. Eine neue Generation von segmentierten Ionenfallen bietet dafür ideale Möglichkeiten: Einzelne Ionen können rasch zwischen verschiedenen Zonen einer Falle hin- und hertransportiert werden.

Zeitlich sorgfältig festgelegte Abläufe erlauben parallele Prozesse in unterschiedlichen Speicher- und Rechenzonen. Durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Ionenarten in einer Falle lässt sich die eine Art als Träger der logischen Quantenbits einsetzen, während die andere zur Fehlermessung, Rauschunterdrückung und Kühlung dient.

Neue Generation von Quantencomputern

Auf Basis der experimentellen Erfahrung von Forschungsgruppen in Innsbruck, Mainz, Zürich und Sydney haben die Forscher Kriterien definiert, anhand deren bestimmt werden kann, ob die Quantenfehlerkorrektur erfolgreich ist. Auf dieser Basis können die Wissenschaftler die weitere Entwicklung von Ionenfallen-Quantencomputern leiten, um schon in naher Zukunft ein logisches Quantenbit zu realisieren, das mit Hilfe der Fehlerkorrektur die Eigenschaften eines rein physikalischen Quantenbits übersteigt.

Aufwändige numerische Simulationen der neuen Fehlerkorrekturprotokolle in der Arbeitsgruppe um Simon Benjamin an der Universität Oxford zeigen, wie die Hardware der nächsten Generation von Ionenfallen-Quantencomputern weiterentwickelt werden muss, um in Zukunft fehlertolerant rechnen zu können. „Unsere numerischen Ergebnisse unterstreichen, dass die modernsten Ionenfallen-Technologien als Basis für den Bau von großen, fehlertoleranten Quantencomputern sehr gut geeignet sind“, erklärt Benjamin.

Die Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Tiroler Industrie finanziell unterstützt.

Publikation: Assessing the Progress of Trapped-Ion Processors Towards Fault-Tolerant Quantum Computation. A. Bermudez, X. Xu, R. Nigmatullin, J. O’Gorman, V. Negnevitsky, P. Schindler, T. Monz, U. G. Poschinger, C. Hempel, J. Home, F. Schmidt-Kaler, M. Biercuk, R. Blatt, S. Benjamin, and M. Müller. Phys. Rev. X 7, 041061 DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041061

Rückfragehinweis:
Rainer Blatt
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 52450
E-Mail: Rainer.Blatt@uibk.ac.at

Markus Müller
Department of Physics
Swansea University
Telefon: +44 1792 604925
E-Mail: Markus.Muller@swansea.ac.uk

Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Weitere Informationen:

http://quantumoptics.at - Quantum Optics and Spectroscopy Group
http://www.uibk.ac.at/exphys/ - Institut für Experimentalphysik
http://iqoqi.at - Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
http://markus-mueller.website/ - Website Markus Müller

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wie Moleküle im Laserfeld wippen
17.01.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern
16.01.2019 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultra ultrasound to transform new tech

World first experiments on sensor that may revolutionise everything from medical devices to unmanned vehicles

The new sensor - capable of detecting vibrations of living cells - may revolutionise everything from medical devices to unmanned vehicles.

Im Focus: Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedankenexperiment mithilfe eines verschränkten Atom-Licht-Zustands.

Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment über eine Katze, die gleichzeitig tot und...

Im Focus: Flying Optical Cats for Quantum Communication

Dead and alive at the same time? Researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics have implemented Erwin Schrödinger’s paradoxical gedanken experiment employing an entangled atom-light state.

In 1935 Erwin Schrödinger formulated a thought experiment designed to capture the paradoxical nature of quantum physics. The crucial element of this gedanken...

Im Focus: Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen zu können.

Alles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose...

Im Focus: Nanocellulose for novel implants: Ears from the 3D-printer

Cellulose obtained from wood has amazing material properties. Empa researchers are now equipping the biodegradable material with additional functionalities to produce implants for cartilage diseases using 3D printing.

It all starts with an ear. Empa researcher Michael Hausmann removes the object shaped like a human ear from the 3D printer and explains:

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Smarte Sensorik für Mobilität und Produktion 4.0 am 07. Februar 2019 in Oldenburg

18.01.2019 | Veranstaltungen

16. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

17.01.2019 | Veranstaltungen

Erstmalig in Nürnberg: Tagung „HR-Trends 2019“

17.01.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Smarte Sensorik für Mobilität und Produktion 4.0 am 07. Februar 2019 in Oldenburg

18.01.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Chemiker der Saar-Uni entwickeln neues Material, das Seltene Erden bei LED-Lampen spart

18.01.2019 | Materialwissenschaften

Süßwasserfische der Mittelmeerregion in der Klimakrise

18.01.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics