Prof. Dr. Eichler erläutert FAU-Präsident Prof. Dr. Hornegger den Aufbau des Quantenrechners in Eichlers Labor. (Bild: FAU/Boris Mijat)

 

Quantencomputer versprechen in einigen Anwendungsbereichen deutlich schneller und effizienter zu werden als herkömmliche Computer. Doch ihre Prozessoren machen bislang noch Fehler. Prof. Dr. Christopher Eichler von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) entwickelt Quantenprozessoren, mit denen diese effizienter aufgespürt und korrigiert werden können. Die erfolgreiche Umsetzung solcher Verfahren gilt als zentrale Voraussetzung, um der Technologie zu ihrem Durchbruch zu verhelfen.

 

In der Wissenschaft sei es ähnlich wie in der Musik, sagt Christopher Eichler: Wirklich Großartiges entstehe meist im Zusammenspiel Vieler und nach intensiver Arbeit. Der 41-Jährige weiß, wovon er spricht: Er hat neben seinem Physikstudium in Frankfurt auch Musik studiert. Nach Forschungsaufenthalten an der ETH Zürich und in Princeton wurde er im September 2022 auf einen Lehrstuhl für Experimentalphysik an die FAU berufen. Dort forscht er seither im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schaltkreisen. Die Grundlagen dazu wurden bereits in den 1980er-Jahren geschaffen und in diesem Jahr mit dem Nobelpreis gewürdigt.

 

Zentraler Gegenstand von Eichlers Forschungsteam ist die Entwicklung von Quantencomputern – das sind Rechenmaschinen, die die fundamentalen Gesetze der Quantenphysik ausnutzen. Deren enormes Potential befeuert seit vielen Jahren die Ambitionen der Quantenforschungs-Community. Denn die Möglichkeit, quantenmechanische Zustände zu überlagern, kann helfen, bei ausgewählten Rechenaufgaben schneller zur Lösung zu finden. Dadurch könnten künftige Quantencomputer in kurzer Zeit Aufgaben lösen, für die herkömmliche Rechner Tausende von Jahren benötigen würden.

 

Mehrfach speichern, um Fehler zu berichtigen

„Doch Quantencomputer machen derzeit noch Fehler“, erklärt Eichler. „Das schränkt ihre Leistungsfähigkeit enorm ein. Um der Technologie zu ihrem Durchbruch zu verhelfen, benötigen wir daher effiziente Korrekturverfahren.“ Und die möchte der Wissenschaftler in seinem Projekt „Quantum Error Correction with Multispecies Superconducting Circuits“ – kurz: MultiCorreQCt – weiterentwickeln.

 

Beim klassischen Computer gibt es lediglich einen Typ von Fehlern: Bits können ungewollt ihren Wert ändern – von 0 nach 1 und von 1 nach 0. Um diesen Fehler zu korrigieren, kann man zum Beispiel dieselbe Information mehrfach abspeichern. Wenn danach in den meisten dieser redundanten Bits eine „0“ steht und in einem eine „1“, ist sehr wahrscheinlich, dass der korrekte Wert „0“ lauten muss. Beim Quantencomputer wird mit Überlagerungszuständen gerechnet. Dadurch kann bei ihnen neben den eben geschilderten Bitflipfehlern noch ein weiterer Typ auftreten – die Phasenfehler. Quantenfehlerkorrektur muss mit beidem fertig werden, was die Sache aufwändiger macht. Man muss ein besonders hohes Maß an Redundanz schaffen, um sämtliche auftretenden Fehler zu korrigieren.

 

Individuelle Korrekturmethoden für verschiedene Typen von Fehlern

„In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass diese hochredundante Speicherung von Quanteninformation grundsätzlich funktioniert, um Fehler zu erkennen und korrigieren“, sagt Eichler. „Allerdings ist sie mit sehr viel Aufwand verbunden: Mit den derzeit besten Korrekturverfahren bräuchte man für ein hinreichend fehlertolerantes logisches Quantenbit Tausende von physikalischen Quantenbits. Wir wollen neue Ansätze nutzen, um die Zahl der physikalischen Elemente und damit den Ressourcenbedarf deutlich zu reduzieren.“

 

Dazu wird Eichler Quantenprozessoren entwickeln, die die am häufigsten auftretenden Fehler direkt an der Quelle aufspüren. Die verbleibenden Fehler soll dann in einer zweiten Korrekturstufe beseitigt werden. Um solche mehrstufigen Korrekturverfahren umzusetzen, möchte Eichler auch die einzelnen Bauteile selbst optimieren. „Bislang wird meist ein und dieselbe Komponente für alle Aufgaben auf dem Chip verwendet“, sagt der Physiker. „Wir wollen stattdessen unterschiedliche Typen solcher supraleitender Schaltelemente kombinieren und so für jede Aufgabe die optimale Komponente einsetzen.“ Zukünftig könnte das die Fehlerkorrektur deutlich vereinfachen und so die Entwicklung praxistauglicher Quantencomputer rasant beschleunigen sowie günstiger und ressourcenschonender machen.

 

Siehe auch:

https://www.fau.de/