Fehlersuche im Quantencomputer und wie man ein Qubit-System simuliert

Schon 70 Qubits, üblicherweise einzelne Atome in angeregtem Zustand, sollen ausreichend sein, um aktuelle Hochleistungsrechner zu überflügeln. Unter anderen dem Quantencomputer Sycamore von Google werden mit dieser geringen Anzahl an Qubits fantastische Eigenschaften nachgesagt.

Kein Wunder also, dass eine Simulation der Prozesse im Inneren kaum realisierbar scheint, wenn die Rechenleistung derart hoch ist. Dabei wäre es dringend nötig, die Funktionsweise besser zu verstehen. Unter anderen liegt die Fehlerquote aktuell extrem hoch. In einem von Googles früheren Experimenten waren es 99,7 Prozent.

Es gibt also viel Luft nach oben, nur dass die Möglichkeiten zu Besserung mangels Simulationen begrenzt sind. Aber immerhin konnte ein Forschungsteam am California Institute of Technology jetzt ein System modellieren, welches mit 60 Qubits arbeitet. Bisher lag die Grenze bei etwa 38 Qubits, so die Autoren der Studie, die gerade in Nature veröffentlicht wurde.

Dass dies derart schwierig zu realisieren ist und ein Quantencomputer überhaupt ein derart vielversprechendes Instrument ist, liegt an der Quantenverschränkung des Systems.

Ein Qubit arbeitet nicht für sich allein, kennt also nicht nur einen Zustand 0 oder 1 wie ein Bit. Bei der Quantenverschränkung arbeiten zwei Qubits sozusagen zusammen und erhalten hierbei erneut einen Zustand 0 oder 1. Denkbar ist zudem ein gemischter Zustand.

Die Faszination ist berechtigt

So kommen zu den 60 einzelnen Qubits gleich 1.800 verschiedene Paare hinzu, die ebenfalls Informationen speichern können. Geht man in die nächste Ebene mit drei zusammenhängenden Qubits, kommen noch einmal 34.000 Möglichkeiten hinzu.

Der Quantencomputer kann also sein bestehendes System aus 60 Schaltungen nahezu beliebig erweitern. Oder wie das Bild der Mona Lisa es ausdrücken soll: Der klassische Computer kann mit einer Bürste in einer Dicke malen. Der Quantencomputer kann hingegen frei wählen, wird aber ungenau, er zittert ein bisschen - schöne Metapher.

Das Zittern ist das größte Problem, denn je stärker die Quantenverschränkung ist, umso fehleranfälliger wird das gesamte System. Kann zum Beispiel ein Qubit mit 90 Prozent Genauigkeit erkannt werden, liegt die Quote bei fünf verschränkten Qubits bei nur noch bei 40 Prozent und saust rapide gegen null bei den Potenzen, die einen Quantencomputer eigentlich auszeichnen.

Dass es überhaupt gelungen ist, diese vermeintlich übersichtliche Zahl an Qubit-Kombinationen zu simulieren, ist einem Trick zu verdanken. Die Möglichkeiten der Verschränkungen wurden in der Simulation begrenzt. So erhält man zumindest eine Ahnung von den Fähigkeiten und kann Teilaspekte des Systems betrachten.

Ziel soll es sein, "nur" noch 91 Prozent falsche Ergebnisse zu erhalten. Dafür müsste ein Qubit mit 96 Prozent Wahrscheinlichkeit korrekt ausgelesen werden. Das klingt machbar, würde es sich dabei nicht um angeregte Atome in einem Quantencomputer handeln.

Einen Versuch, Quantenverschränkung zu erklären, unternehmen im Video eine Reihe von Forschenden am Caltech. Auch ganz interessant!