Experimental Observation of Error-Resilience Phase Transition on Superconducting Quantum Processor

In der Welt des Quantencomputings sind Informationen unglaublich zerbrechlich. Im Gegensatz zu den Bits in einem Standardcomputer, die an ihrem Platz bleiben, bis man sie verändert, werden Quantenbits durch das kleinste Flüstern von Wärme oder elektromagnetischen Interferenzen aus ihrer Umgebung leicht gestört. Diese Störung, bekannt als Rauschen, zerstört meist den empfindlichen Quantenzustand und führt dazu, dass der Computer versagt. Jahrelang haben Wissenschaftler nach Wegen gesucht, diese Informationen zu schützen, oft indem sie sie über viele Teilchen verteilen, damit die gesamte Nachricht nicht verloren geht, wenn ein Teil beschädigt wird. Diese Idee ist das Fundament der Quantenfehlerkorrektur. Eine überraschende theoretische Entdeckung deutete jedoch darauf hin, dass die Beziehung zwischen Rauschen und Schutz keine einfache Linie ist. Stattdessen schlug sie einen plötzlichen Umschlag, oder Phasenübergang, vor, bei dem ein System plötzlich von der Fähigkeit, seine Informationen wiederherzustellen, zu der völligen Unfähigkeit wechseln kann, dies zu tun, abhängig davon, wie stark das Rauschen wird.

Einem Team von Forschern ist es nun gelungen, diese theoretische Idee aus der Welt der Gleichungen in die reale Welt zu übertragen. In Zusammenarbeit mit einem supraleitenden Quantenprozessor von IBM beobachteten sie diesen Übergang zum ersten Mal erfolgreich. Sie bauten ein spezifisches Experiment auf, bei dem sie Informationen über eine Gruppe von Qubits verschränkten, ein kontrolliertes Maß an Rauschen einführten und dann versuchten, die Verschlüsselung rückgängig zu machen, um zu sehen, ob die ursprüngliche Nachricht überlebte. Indem sie Systeme testeten, die von wenigen Qubits bis hin zu sechsundzwanzig reichten, beobachteten sie den exakten Moment, in dem das Rauschen zu stark wurde, als dass das System es bewältigen konnte. Ihre Ergebnisse bestätigen, dass ein solcher Wendepunkt in physischer Hardware existiert, offenbaren aber auch, dass die reale Version dieses Übergangs an einem etwas anderen Punkt stattfindet als die idealisierte Theorie vorhergesagt hat.

Das Experiment wurde auf einem Gerät namens ibm pittsburgh Heron r3 durchgeführt, das ein Gitter aus supraleitenden Qubits enthält. Die Forscher richteten einen Prozess ein, der ein Speicherprotokoll imitiert. Zuerst bereiteten sie einen Satz von Qubits in einem bekannten Zustand vor. Dann wandten sie eine komplexe Sequenz von Operationen an, um diese Information zu verschlüsseln, sie also zu verteilen, sodass sie nicht mehr lokal an einem einzelnen Qubit konzentriert war. Dieses Verschlüsseln (Scrambling) ist darauf ausgelegt, die Information gegenüber lokalen Störungen robust zu machen. Nach dem Verschlüsseln führten sie eine Schicht identischen Rauschens auf jedes Qubit ein. Dieses Rauschen war ein spezifischer Typ von kohärentem Fehler, was eine konsistente, vorhersehbare Rotation des Quantenzustands bedeutete, statt zufälligem statischem Rauschen. Schließlich versuchten sie, den Verschlüsselungsprozess umzukehren, um die ursprüngliche Information zurückzugewinnen.

Um zu bestimmen, ob die Information überlebte, massen das Team drei verschiedene Eigenschaften des Endzustands. Das erste war ein Maß dafür, wie genau der Endzustand dem ursprünglichen Startpunkt entsprach – im Wesentlichen die Frage: „Haben wir unsere Nachricht zurückbekommen?“ Die zweite Eigenschaft maß, wie stark die Qubits miteinander verschränkt worden waren, was anzeigt, wie gründlich die Information vermischt worden war. Die dritte Eigenschaft maß eine Form der Quantenkomplexität, die als Non-Stabilizerness bezeichnet wird und widerspiegelt, wie schwierig der Zustand auf einem klassischen Computer zu simulieren wäre. Durch die Variation der Stärke des Rauschens konnten sie beobachten, wie sich diese drei Eigenschaften änderten, während das System von einem Zustand, in dem die Information sicher war, in einen Zustand überging, in dem sie verloren war.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Übergang. Als der Rauschwinkel zunahm, sank die Fähigkeit, die ursprüngliche Information wiederherzustellen, drastisch, während die Verschränkung und die Komplexität des Systems anstiegen. Dieses Verhalten entsprach den Vorhersagen der theoretischen Modelle, welche einen Wechsel zwischen einer „fehlergeschützten“ Phase und einer „fehleranfälligen“ Phase beschrieben. Der exakte Punkt, an dem dieser Wechsel jedoch stattfand, lag nicht genau dort, wo die Theorie für ein perfektes, ideales System vorhergesagt hatte. Das theoretische Modell legte nahe, dass der Übergang bei einem spezifischen Rauschwinkel von etwa 1,14 stattfinden sollte. Im Experiment wurde der Übergang bei einem Winkel von etwa 1,01 beobachtet.

Um zu verstehen, warum das reale Experiment von der perfekten Theorie abwich, führten die Forscher detaillierte Computersimulationen mit exakt denselben Schaltkreiskonstruktionen durch, die sie auf der Hardware aufgebaut hatten, jedoch ohne physisches Rauschen. Als sie diese rauschfreien Simulationen analysierten, fanden sie einen Übergangspunkt von etwa 1,05. Dieses Ergebnis war entscheidend, da es zeigte, dass der Unterschied zwischen dem Experiment und der Theorie nicht durch das chaotische, unvorhersehbare Rauschen der tatsächlichen Hardware verursacht wurde. Vielmehr resultierte die Diskrepanz daraus, dass die von ihnen gebauten Schaltkreise nicht tief genug waren, um wirklich zufällig zu sein, wie es die Theorie annahm. Die ideale Theorie beruht auf Schaltkreisen, die unendlich komplex und perfekt zufällig sind, aber das physische Gerät musste einfachere, flachere Schaltkreise verwenden, die tatsächlich ausführbar waren. Diese flacheren Schaltkreise verschlüsselten die Information weniger effektiv, was das System anfälliger für Rauschen machte und den Übergang früher eintreten ließ als erwartet.

Ein wesentlicher Teil dieses Erfolgs beruhte auf fortgeschrittenen Techniken zur Bereinigung der Daten. Quantencomputer sind notorisch verrauscht, und ohne Korrektur wäre das Signal des Phasenübergangs vollständig untergegangen. Das Team nutzte zwei spezifische Methoden, um dies zu korrigieren. Eine Methode, genannt Zero-Noise-Extrapolation, beinhaltete das mehrfache Ausführen der Schaltkreise mit künstlich erhöhtem Rauschen und das anschließende mathematische Rückrechnen, um zu schätzen, welches Ergebnis bei gar keinem Rauschen erzielt worden wäre. Die andere Methode, bekannt als Matrix-freie Messfehlerkorrektur, korrigierte Fehler, die auftraten, als der Computer den Endzustand auslas. Als die Forscher versuchten, die Rohdaten ohne diese Korrekturen zu analysieren, konnte das von ihnen verwendete statistische Modell keinen klaren Übergang finden. Die Daten waren zu verstreut, und das Modell konnte keinen kritischen Punkt lokalisieren. Dies bewies, dass diese Fehlerkorrekturtechniken nicht nur hilfreiche Extras waren, sondern essenziell dafür waren, das Phänomen überhaupt sichtbar zu machen.

Die Studie hob auch die Herausforderungen bei der Messung dieser komplexen Quanteneigenschaften hervor. Um die Verschränkung und die Komplexität zu bestimmen, mussten die Forscher eine Technik namens Randomisierte Messungen anwenden. Dies beinhaltete das mehrfache Ausführen desselben Schaltkreises mit verschiedenen zufälligen Einstellungen und die anschließende Verwendung statistischer Methoden, um die Antwort zusammenzusetzen. Da die Anzahl der möglichen Ergebnisse mit der Anzahl der Qubits sehr schnell ansteigt, mussten sie sehr sorgfältig bei der Datenerhebung vorgehen. Sie stellten fest, dass sie für größere Systeme die Experimente viel häufiger durchführen mussten, um ein klares Signal zu erhalten. Selbst bei diesen Bemühungen waren die Messungen der komplexesten Eigenschaft verrauschter als die anderen, aber das Gesamtmuster blieb über alle drei Messungen hinweg konsistent.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass ihr experimenteller Aufbau zwar nicht perfekt mit dem idealen mathematischen Modell übereinstimmte, aber den Kern des Phasenübergangs erfolgreich erfasste. Die Tatsache, dass der Übergang bei einem etwas anderen Winkel auftrat als von der Theorie vorhergesagt wurde, ist kein Scheitern, sondern eine wertvolle Erkenntnis. Es zeigt, dass die Tiefe und der Zufall des Schaltkreises entscheidende Faktoren dafür sind, wie gut ein Quantensystem Informationen schützen kann. Wenn Quantencomputer größer und komplexer werden, wird das Verständnis dieser Grenzen von entscheidender Bedeutung sein. Diese Arbeit demonstriert, dass Wissenschaftler selbst auf heutigen, unvollkommenen Maschinen fundamentale Verschiebungen im Verhalten von Informationen beobachten können, sofern sie über die richtigen Werkzeuge verfügen, um das Rauschen herauszufiltern. Die Fähigkeit, diesen Übergang in einem realen Gerät zu beobachten, deutet darauf hin, dass die Prinzipien des Quantenfehlerschutzes robust genug sind, um die Unvollkommenheiten der heutigen Technologie zu überstehen, was einen vielversprechenden Weg für den Bau zuverlässigerer Quantencomputer in der Zukunft eröffnet.