Improved error correction with leakage reduction units built into qubit measurement in a superconducting quantum processor

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, für die herkömmliche Maschinen Tausende von Jahren benötigen würden, aber sie sind notorisch fragil. Um zu funktionieren, verlassen sich diese Maschinen auf winzige Schaltkreise, die Informationen in einem empfindlichen Zustand halten, oft unter Verwendung supraleitender Schleifen, die auf Temperaturen gekühlt werden, die kälter als der tiefe Weltraum sind. Das Ziel ist es, diese Schaltkreise lange genug stabil zu halten, um komplexe Berechnungen durchzuführen. Die Umgebung ist jedoch verrauscht, und die Schaltkreise machen häufig Fehler. Um dies zu beheben, nutzen Wissenschaftler eine Technik namens Quantenfehlerkorrektur, bei der Informationen über viele physikalische Schaltkreise verteilt werden, sodass wenn einer ausfällt, die anderen kompensieren können. Diese Redundanz ist der einzige bekannte Weg, um eine Maschine zu bauen, die unbegrenzt laufen kann, ohne zusammenzubrechen. Doch eine spezifische Art von Fehler hat diese Bemühungen lange Zeit bedroht, alles zunichtezumachen. Im Gegensatz zu einem einfachen Umschlagen eines Bits, das die Fehlerkorrektur gut handhaben kann, tritt ein gefährlicherer Fehler auf, wenn ein Schaltkreis versehentlich in einen Zustand gleitet, den er nie einnehmen sollte. Dieses „Leckage“ (Leakage) ist wie ein Arbeiter, der den Fabrikboden ganz verlässt; sobald er weg ist, kann er nicht mehr durch die üblichen Anweisungen zurückgeführt werden, und sein Fehlen kann eine Kettenreaktion von Fehlern verursachen, die das gesamte System korrumpiert.

Forscher am QuTech in den Niederlanden haben nun einen Weg demonstriert, diese abgleitenden Schaltkreise einzufangen und sie zur Arbeit zurückzuführen, ohne den Computer zu verlangsamen. In einer neuen Studie führten sie eine Methode ein, die wie ein Sicherheitsnetz wirkt, das direkt in den Moment eingebaut ist, in dem die Maschine ihren eigenen Status überprüft. In Standard-Quantenprozessoren nimmt das Überprüfen des Zustands eines Schaltkreises Zeit in Anspruch, und das Beheben von Fehlern erfordert normalerweise einen separaten, dedizierten Schritt, der die Berechnung pausiert. Das Team fand einen Weg, die Überprüfung und die Korrektur in einer einzigen, nahtlosen Aktion zu kombinieren. Sie entwickelten ein Protokoll, das präzise getaktete Mikrowellenenergie-Pulse verwendet, um einen Schaltkreis, der in einen verbotenen Zustand gefallen ist, zurück in seinen ordnungsgemäßen Arbeitsbereich zu drücken. Entscheidend ist, dass dies exakt zur gleichen Zeit geschieht, in der die Maschine den Wert des Schaltkreises ausliest, was bedeutet, dass der Computer keine Zeit verliert, um die Reparatur durchzuführen.

Das Experiment konzentrierte sich auf einen gängigen Typ von Quantenschaltkreis namens Transmon, der drei Hauptenergieniveaus besitzt. Die beiden unteren Niveaus werden für das normale Computing verwendet, während das dritte, höhere Niveau die gefährliche Leckage darstellt. Wenn ein Schaltkreis in dieses dritte Niveau gleitet, kann er nicht mehr durch Standardlogik gesteuert werden. Die Forscher entwarfen einen Prozess, der den Schaltkreis gleichzeitig aus diesem hohen Niveau herausdrückt und ihn zurück in das mittlere Niveau zieht, in das er gehört. Dies erreichten sie, indem sie zwei Mikrowellensignale gleichzeitig aussendeten: eines an den Schaltkreis selbst und ein weiteres an einen nahegelegenen Resonator, ein Gerät, das dazu dient, den Zustand des Schaltkreises auszulesn. Die Wechselwirkung zwischen diesen Signalen erzeugt einen Einwegpfad. Sobald sich der Schaltkreis in Richtung des korrekten Niveaus bewegt, ändert sich die Physik des Systems so, dass verhindert wird, dass er wieder nach oben gleitet. Dieser gerichtete Fluss stellt sicher, dass der Schaltkreis effizient zurückgesetzt wird. Das Team verifizierte, dass dieser Prozess die Leckage in 98,4 % der Fälle beseitigt, während er gleichzeitig ermöglicht, den Zustand des Schaltkreises mit hoher Genauigkeit auszulesen.

Um zu beweisen, dass diese Methode in einem realen Szenario funktioniert, integrierten die Forscher sie in zwei verschiedene Arten von Quantenfehlerkorrektur-Experimenten. Im ersten testeten sie ein Speicher-Experiment, welches misst, wie gut ein Stück Information über die Zeit bewahrt werden kann. Im zweiten testeten sie ein Stabilitäts-Experiment, welches misst, wie gut Informationen durch ein Netzwerk von Schaltkreisen bewegt werden können. In beiden Fällen verglichen sie die Leistung ihrer neuen Methode mit Standardtechniken. Die Ergebnisse zeigten, dass der Computer weniger logische Fehler machte, wenn die neue Methode zur Reduzierung der Leckage verwendet wurde, selbst wenn die Rate der Leckage hoch war. Die Verbesserung war am ausgeprägtesten, wenn die Methode mit einem detaillierteren Ausleseverfahren kombiniert wurde, das zwischen den drei Energieniveaus unterscheiden konnte, statt nur zwischen den zwei Standard-Niveaus. Diese zusätzliche Information ermöglichte es der Fehlerkorrektur-Software des Computers, bessere Entscheidungen zu treffen und die durch die Leckage verursachten Schäden effektiv zu neutralisieren.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in ihrer Effizienz. Frühere Versuche, Leckage zu beheben, erforderten dedizierte Zeitschritte, die Verzögerungen in die Berechnung einführten und oft neue Fehler während des Wartens verursachten. Durch die Einbettung der Korrektur direkt in den Messprozess eliminierten die Forscher diesen Zeitverlust. Sie zeigten, dass der Computer schneller und zuverlässiger laufen kann, da er nicht mehr pausieren muss, um seine eigenen Fehler aufzuräumen. Die Studie bestätigte auch, dass die Methode die Qualität der ausgelesenen Informationen nicht verschlechtert und eine hohe Genauigkeit für die normalen Computing-Zustände beibehält. Während die Forscher anmerken, dass weitere Arbeit nötig ist, um diesen Ansatz auf größere, komplexere Maschinen zu skalieren, bietet das Experiment eine klare und praktische Lösung für einen großen Engpass im Quantencomputing. Indem sie eine beständige Quelle korrelierter Fehler in ein handhabbares Ereignis verwandeln, bringt diese Technik den Traum eines fehlertoleranten Quantencomputers einen entscheidenden Schritt näher in die Realität.