Avoiding Defects within Heavy-Hexagon Architecture

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die selbst für die leistungsstärksten Supercomputer derzeit unmöglich sind, vom Entwurf neuer Medikamente bis hin zum Knacken komplexer Verschlüsselungen. Die Bausteine dieser Maschinen, bekannt als Qubits, sind jedoch unglaublich fragil. Sie reagieren so empfindlich auf ihre Umgebung, dass die kleinste Störung dazu führen kann, dass sie ihre Informationen verlieren, ein Problem, das als Fehler bezeichnet wird. Um dies zu beheben, verwenden Wissenschaftler eine Methode namens Quantenfehlerkorrektur. Anstatt sich auf ein einzelnes Qubit zu verlassen, um ein Stück Information zu speichern, verteilen sie diese Information auf viele physikalische Qubits und schaffen so ein größeres, stabileres „logisches“ Qubit. Dieses System überprüft sich ständig selbst auf Fehler, ganz ähnlich wie ein Team von Redakteuren, das ein Dokument Korrektur liest, um Tippfehler zu finden, bevor sie dauerhaft werden.

Die Herausforderung besteht darin, dass die Hardware, die zum Bau dieser Computer verwendet wird, nicht perfekt ist. Während des Herstellungsprozesses können einige Qubits oder die Verbindungen zwischen ihnen fehlerhaft sein. In einem Standardaufbau wirken diese Mängel wie eine kaputte Straße in einem Stadtplan, die den Verkehr unterbricht und es dem Fehlerkorrektursystem unmöglich macht, ordnungsgemäß zu funktionieren. Wenn eine einzige Komponente defekt ist, kann dies dazu führen, dass das gesamte logische Qubit ausfällt, was den Computer unbrauchbar macht. Jahrelang hatten Forscher Schwierigkeiten, einen Weg zu finden, um diese Fehlerkorrektursysteme auch dann reibungslos am Laufen zu halten, wenn die zugrunde liegende Hardware unvollkommen ist, insbesondere bei neueren Chipdesigns, die kompakter sind, aber über weniger Verbindungen zwischen den Komponenten verfügen.

Ein Forschungsteam der Hanyang University in Südkorea hat eine neue Strategie entwickelt, um mit diesen defekten Teilen speziell für ein Chipdesign zu verfahren, das als Heavy-Hexagon-Architektur bekannt ist. Dieses Design, das von großen Quantenhardware-Unternehmen verwendet wird, ist effizient, hat aber eine einzigartige Einschränkung: Jedes Qubit ist mit nur zwei oder drei Nachbarn verbunden, im Gegensatz zu den vier Verbindungen, die in älteren, weitläufigeren Designs zu finden sind. Diese geringere Konnektivität macht es schwieriger, einen Defekt zu umgehen. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die Umgestaltung der Messung der Fehlerkontrollsignale die defekten Komponenten effektiv umgehen konnten, ohne das gesamte System neu aufbauen zu müssen. Ihr Ansatz ermöglicht es dem Computer, die fehlerhaften Teile zu ignorieren und den Betrieb fortzusetzen – eine Leistung, die auf diesen speziellen Chips zuvor als weitaus schwieriger galt.

Um den Durchbruch zu verstehen, muss man zuerst betrachten, wie diese Computer normalerweise funktionieren. In einem Standard-Fehlerkorrekturcode misst das System Gruppen von Qubits, um zu sehen, ob sie untereinander übereinstimmen. Wenn ein Qubit defekt ist, sendet es einen ständigen Strom falscher Alarme aus, was das System verwirrt und es unmöglich macht, festzustellen, wo echte Fehler auftreten. Frühere Methoden zur Behebung bestanden darin, „Super-Stabilisatoren“ zu erstellen, also größere Gruppen von Qubits, die sich um den defekten Teil gruppieren, um ihn zu isolieren. Diese älteren Methoden waren jedoch für Chips mit mehr Verbindungen konzipiert und erforderten vier separate Schritte, um die notwendigen Informationen zu messen. Auf den Heavy-Hexagon-Chips, die über weniger Verbindungen verfügen, war dieser vierstufige Prozess zu langsam und komplex, um praktikabel zu sein.

Das Team der Hanyang University erkannte, dass sie diesen Prozess erheblich rationalisieren konnte. Anstatt vier Schritte zu unternehmen, um die Information um einen Defekt herum zu messen, entwickelten sie einen Weg, dies in nur zwei Schritten zu tun. Sie erreichten dies, indem sie die spezifische Anordnung des Heavy-Hexagon-Chips ausnutzten. Dieses Layout enthält zusätzliche Qubits, die ursprünglich für andere Zwecke vorgesehen waren, aber die Forscher nutzten sie um, damit sie als temporäre Boten fungieren. Diese zusätzlichen Qubits helfen dabei, die Messsignale über die defekten Bereiche hinweg zu tragen, wodurch das System die notwendigen Daten schnell sammeln kann. Durch dies konnten sie eine neue, größere Fehlerkontrollgruppe konstruieren, die das defekte Qubit vollständig überspringt und den defekten Teil effektiv so behandelt, als wäre er nicht vorhanden.

Die Forscher testeten diese Theorie auf einem echten Quantencomputer von IBM, konkret auf einem Modell namens ibm_boston, das 156 Qubits in dem Heavy-Hexagon-Muster enthält. Sie identifizierten ein spezifisches Qubit auf dem Chip, das dauerhaft defekt war und konsistent hohe Fehlerraten aufwies, unabhängig davon, wie die Maschine abgestimmt wurde. Sie führten daraufhin zwei verschiedene Experimente durch: eines, bei dem das Fehlerkorrektursystem trotz des defekten Qubits normal arbeiten versuchte, und ein anderes, bei dem sie ihre neue Methode zur Defektvermeidung nutzten, um um das defekte Teil herumzuleiten. Die Ergebnisse waren eindeutig. Wenn das System versuchte, den defekten Teil mit ihrer neuen Methode zu umgehen, sank die Rate der logischen Fehler pro Zyklus um etwa 10 Prozent.

Diese Reduktion ist signifikant, da sie beweist, dass das Fehlerkorrektursystem selbst dann wertvolle Informationen zurückgewinnen kann, wenn die Hardware fehlerhaft ist. In dem Experiment ohne die Korrektur verursachte das defekte Qubit, dass die umliegenden Prüfungen zufällig und unbrauchbar wurden, was den Computer effektiv gegenüber seinen eigenen Fehlern blind machte. Mit der neuen Methode konnte das System wieder in die Lage versetzt werden, zwischen zufälligem Rauschen und tatsächlichen Fehlern zu unterscheiden. Die Forscher stellten auch fest, dass die Methode gut für verschiedene Arten von Fehlern funktionierte, wobei sie aufgrund der spezifischen Form des Chips etwas effektiver bei der Korrektur einer Fehlerart als bei der anderen war.

Die Studie hob auch die Bedeutung der Kenntnis des aktuellen Zustands der Hardware hervor. Die Forscher merkten an, dass sich die Qualität der Qubits im Laufe der Zeit ändern kann, während die Maschine neu kalibriert wird. Ein Qubit, das in einer Woche defekt ist, könnte in der nächsten Woche bereits wieder verbessert sein, und die fortgesetzte Vermeidung dieses Qubits, wenn es nicht mehr defekt ist, könnte tatsächlich unnötige Komplexität und neue Fehler einführen. Dies deutet darauf hin, dass zukünftige Quantencomputer dynamisch sein müssen, indem sie ständig ihren eigenen Gesundheitszustand scannen und ihre Strategien zur Fehlerkorrektur in Echtzeit an den aktuellen Zustand der Maschine anpassen.

Indem sie demonstrierten, dass Defekte auf diesen hoch vernetzten, aber physisch begrenzten Chips erfolgreich bewältigt werden können, haben die Forscher eine große Hürde für die Skalierung von Quantencomputern beseitigt. Ihre Arbeit zeigt, dass es selbst mit unvollkommener Hardware möglich ist, zuverlässige logische Qubits aufzubauen, indem man den Messprozess geschickt umgestaltet. Dieser Befund bringt das Ziel des groß angelegten, fehlertoleranten Quantencomputings einen Schritt näher zur Realität und beweist, dass der Weg nach vorn nicht perfekte Chips erfordert, sondern kluge Wege, um mit den unperfekten zu arbeiten, die wir bereits haben.