Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die für heutige Maschinen unmöglich sind – vom Entwurf neuer Medikamente bis hin zur Modellierung komplexer Materialien. Diese Maschinen sind jedoch unglaublich fragil; die kleinste Störung durch Wärme oder elektromagnetische Wellen kann die Informationen, die sie halten, durcheinanderbringen. Um einen nützlichen Quantencomputer zu bauen, müssen Wissenschaftler diese empfindlichen Daten mit einer Methode namens Quantenfehlerkorrektur schützen. Dieser Ansatz funktioniert wie ein Sicherheitsnetz, das ein einzelnes Informationsstück über viele physikalische Teilchen verteilt, sodass, falls eines ausfällt, die anderen offenbaren können, was passiert ist, und es beheben können. Der populärste Bauplan für dieses Sicherheitsnetz heißt Surface Code, der diese Teilchen in einem flachen Gitter anordnet. Während Forscher bereits gemeistert haben, wie man Fehler aus diesem Gitter liest und sie korrigiert, bleibt ein hartnäckiges Problem bestehen: wie man die geschützten, „logischen“ Informationszustände initial erstellt, ohne während des Erstellungsprozesses selbst neue Fehler einzuführen.

Jahrelang bestand der Standardweg zur Vorbereitung dieser Ausgangszustände aus einem zweistufigen Prozess. Zuerst setzten Wissenschaftler alle physikalischen Teilchen auf einen einfachen, bekannten Zustand. Dann führten sie eine Reihe von Messungen durch, um die Stabilität des Gitters zu prüfen, wobei sie die Ergebnisse nutzten, um das System anzupassen. Diese Methode funktioniert, hat aber einen verborgenen Makel. Der Akt des Messens ist langsam und fehleranfällig, und der Prozess der Überprüfung des Gitters kann Fehler manchmal so verbreiten, dass der Code sie nicht abfangen kann. Zudem ist in einigen fortschrittlichen Quantenmaschinen, wie etwa solchen, die gefangene Ionen oder neutrale Atome verwenden, der Akt des Messens so viel langsamer und verrauschter als das bloße Anwenden eines Gates (eines Quantenschalters), dass die Standardmethode zu einem Engpass wird. Forscher suchten schon lange nach einem Weg, diese Zustände ausschließlich mit schnellen, lokalen Operationen vorzubereiten, doch frühere Versuche, dies zu tun, scheiterten daran, das hohe Schutzniveau aufrechtzuerhalten, das der Code eigentlich bietet.

In einer neuen Studie hat ein Forscherteam eine Methode entwickelt, um diese geschützten Zustände ausschließlich mit schnellen, lokalen Operationen vorzubereiten, ohne während der Erstellungsphase auf Messungen angewiesen zu sein. Sie entdeckten eine spezifische Sequenz von Operationen, die den komplexen, verschränkten Zustand, der für den Surface Code erforderlich ist, von Grund auf aufbaut. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg liegt darin, wie sie die Verbindungen zwischen den Teilchen handhaben. Anstatt zu versuchen, jedes Teilchen gleichzeitig mit jedem anderen zu verbinden – was in vielen Geräten physisch unmöglich ist –, nutzen sie einen schrittweisen Ansatz, der das physische Layout des Gitters respektiert. Sie beginnen mit einem einfachen Zustand und erweitern die Verbindungen schrittweise, wobei sie die Schritte sorgfältig ordnen, damit jeder kleine Fehler, der während des Prozesses auftritt, klein bleibt und sich nicht unkontrolliert ausbreitet. Dies stellt sicher, dass der endgültige Zustand genauso gut geschützt ist, als wäre er durch die langsamere, messbasierte Methode erstellt worden.

Die Forscher testeten ihre Idee mithilfe von Computersimulationen, die das Verhalten von Quantengattern unter realistischen Rauschbedingungen modellierten. Sie verglichen ihre neue Methode mit dem Standard-Messansatz für Surface Codes verschiedener Größen. Die Ergebnisse zeigten, dass die neue Methode für bestimmte Arten von Quantenhardware, insbesondere für solche, bei denen Messungen langsam und verrauscht sind, signifikant besser ist. In einigen Fällen reduzierte der neue Ansatz die Rate der logischen Fehler um den Faktor zehn im Vergleich zur Standardmethode. Diese Verbesserung resultiert aus zwei Hauptfaktoren: Die neue Methode nutzt insgesamt weniger Operationen, was bedeutet, dass es weniger Chancen gibt, dass etwas schiefgeht, und sie vermeidet die Fehler, die typischerweise entstehen, wenn Daten zu und von Messgeräten übertragen werden.

Das Team untersuchte auch zwei Variationen ihrer Methode. Eine Version nutzt zusätzliche Helferteilchen, sogenannte Ancillas, um Verbindungen zwischen den Hauptdatenteilchen zu überbrücken. Die andere Version, die in ihren Simulationen sogar noch besser abschnitt, verbindet die Datenteilchen direkt miteinander, ohne diese Helfer. Diese direkte Verbindung ist in Maschinen möglich, in denen die Teilchen bewegt oder ihre Verbindungen während des Betriebs neu konfiguriert werden können, wie etwa in Neutralatom-Arrays oder gefangenen Ionensystemen. Durch das Entfernen der Notwendigkeit der Helferteilchen eliminierten die Forscher eine ganze Klasse potenzieller Fehler, was zu saubereren, zuverlässigeren Ausgangszuständen führte.

Diese Arbeit ist besonders wichtig für die Zukunft des Quantencomputings, da sie einen praktischen Weg für Hardwareplattformen bietet, die Schwierigkeiten mit Messungen haben. Obwohl die neue Methode im Vergleich zum messbasierten Ansatz in Bezug auf die Anzahl der Schritte etwas länger zur Ausführung benötigt, wird sie für viele Maschinen in Echtzeit wahrscheinlich schneller laufen, da die verwendeten Schritte viel schneller auszuführen sind als die langsamen, verrauschten Messungen. Wichtiger noch: Sie löst ein kritisches Sicherheitsproblem, nämlich dass sie garantiert, dass der Schutz durch den Fehlerkorrekturcode bereits ab dem Moment der Erstellung des Zustands gewahrt bleibt. Das bedeutet, dass der Computer seine Berechnungen mit einem Zustand beginnt, der bereits robust gegenüber Fehlern ist, anstatt in einem Zustand zu starten, der anfällig ist, bis eine Runde von Korrekturen durchgeführt wurde.

Die Forscher räumen ein, dass ihre Methode keine universelle Lösung für jede mögliche Quantenarchitektur ist. Beispielsweise beruht sie auf der Fähigkeit, Operationen zwischen benachbarten Teilchen durchzuführen, und sie löst noch nicht das Problem, alle Arten von Fehlern gleichzeitig während der Erstellungsphase zu schützen. Doch indem sie demonstriert haben, dass ein rein operationaler, messfreier Ansatz das gleiche Maß an Sicherheit wie die traditionelle Methode erreichen kann, haben sie eine neue Tür geöffnet. Ihre Arbeit legt nahe, dass für die nächste Generation von Quantenprozessoren, insbesondere für solche, die aus Atomen oder Ionen aufgebaut sind, der zuverlässigste Weg, eine Berechnung zu starten, darin bestehen könnte, die Messungen gänzlich zu überspringen und den Zustand stattdessen mit schnellen, präzisen Gattern aufzubauen. Dieser Wechsel könnte die Zeit, die Quantencomputer mit dem Warten auf Messungen verbringen, erheblich reduzieren und die Gesamtrate der Fehler senken, wodurch der Traum vom fehlertoleranten Quantencomputing einen Schritt näher rückt.