Dynamical Decoupling: Durchbruch zur Verbesserung der Quantencomputer-Leistung

• Forscher entwarfen theoretische Methode zur Verbesserung der Quantencomputer-Performance.
• Methode heißt Dynamical Decoupling und funktionierte an 2 Kleinst-Quantencomputern.
• Benötigt keine Kodierungs-Overheads, wandelt Quantengates in Entkopplungspulse um.

Das Konzept Quantencomputing entstand Anfang der 1980er. Idee: Quantenbits (Qubits in Superposition) statt Binärbits für sichere, extrem schnelle Berechnungen nutzen.

Drei Jahrzehnte später steckt Quantencomputing noch in Kinderschuhen. Hunderte Tests führten Quantenberechnungen auf wenigen Qubits aus.

Quantencomputer sollen Millionen-mal schneller sein als heutige Supercomputer und Finanzen, Verteidigung, IT, Medizin revolutionieren. Sie nutzen Atomverhalten für extrem komplexe Aufgaben bei Höchstgeschwindigkeit.

Sie haben jedoch Limitations: Hoch fehleranfällig, benötigen Stabilität für nachhaltigen Betrieb. Meist funktionieren sie nicht richtig und liefern schlechte Ergebnisse. Weltweit gelang noch keine Quantenmaschine, die einen traditionellen Computer in irgendeiner Aufgabe übertrifft.

Hauptproblem aktueller Quantencomputer: „Rauschen“ – Störungen durch Vibration, Temperatur, Schall. Erzeugt Dekohärenz, die Qubits destabilisiert, indem Quanten-Zustandsdauer gestört wird. Dies verkürzt die Zeit, in der eine Quantenmaschine fehlerfrei arbeiten kann.

Eine Quantenmaschine mit zu viel Dekohärenz ist nutzlos. Löst man dieses Problem, wird Quantencomputing praktisch und produktiver als klassische Computer.

Forscher der University of Southern California enthüllten kürzlich eine theoretische Methode zur Leistungsverbesserung. Sie adressiert eine Schwäche aktueller Quantencomputer, indem fehlerhafte Berechnungen minimiert und Ergebnis-Fidelität gesteigert werden. Die Methode heißt Dynamical Decoupling (DD) und funktionierte an 2 Quantencomputern.

DD wurde entwickelt, um Dekohärenz durch Pulsen an das System zu unterdrücken, die die Wechselwirkung zwischen System und Umgebung in gegebener Ordnung der zeitabhängigen Störungstheorie aufheben. Insgesamt benötigt es keine Kodierungs-Overheads und funktioniert durch Umwandlung von Quantengates in Entkopplungspulse.

Referenz: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

Die Zeitsequenzen waren sehr klein: 200 Pulse innerhalb von 0,6 Mikrosekunden aufgezeichnet.

Dynamical Decoupling in heutigen Quantenmaschinen anwenden

Forscher testeten DD an 2 Quantencomputern – IBMs 16-Qubit QX5 und Rigettis 19-Qubit Acorn – und stellten fest, dass es einfacher und zuverlässiger als andere Methoden ist. Geeignet für Implementierung in bestehenden Kleinst-Cloud-Quantencomputern.

8-Qubit-Quantenprozessor | Bildnachweis: Rigetti Computing

Die Methode kann verschränkte Zwei-Qubit-Zustände bis zu einem Grad schützen. Verschiedene DD-Sequenzen mindern sowohl Dephasing- als auch spontane Emissionsfehler. Im Gegensatz zu früheren Studien nutzten sie keine Quantenfehlerkorrekturcodes und erzielten außergewöhnliche Fidelitätsverbesserungen gegen natürliche Dekohärenz.

Endgültige Fidelität für IBMs QX5 sprang von 28,9 % auf 88,4 %, für Rigettis Acorn von 59,8 % auf 77,1 %. Forscher entdeckten auch: Mehr Pulse ermöglichen bei Rigetti längere Fidelitätserhaltung, bei IBM gab es ein Limit von ca. 100 Pulsen.

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Insgesamt zeigt die Studie: Dynamical Decoupling funktioniert weit besser als bestehende Quantenfehlerkorrekturtechniken.