Quantencomputing entwickelt sich rasant von einer grundlagen­orientieren For­schungsaktivität in Universitätslabors zu einer weltweiten Unternehmung mit stark steigenden Investitionen von Start-ups und großen Firmen, die zukünftige Anwendungsmöglichkeiten in ihren Produkten und Prozessen prüfen. Im Gegensatz zu klassischen Rechnern müssen Quantenprozessoren jedoch noch mit einer Vielzahl von Fehlern bei ihren Quantenberechnungen umgehen. Diese schränken den derzeitigen Nutzen und die Komplexität von Algorithmen noch ein.

Dieses Seminar, das vom 8. bis 11. Januar 2023 im Physikzentrum Bad Honnef stattfand, setzte sich zum Ziel, den Umgang mit Fehlern in skalierbaren Quantencomputersystemen auf dem Weg hin zu nützlichen Quantenanwendungen zu be­leuch­ten und den aktuellen Entwicklungsstand der wichtigsten Plattfor­men darzustellen. Eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Informatik, Physik, Mathematik, Sicherheitsforschung und dem Ingenieurwesen diskutierte unterschiedlichste Aspekte der Quantenhardware, insbesondere inwiefern Fehlerkorrektur nötig ist, damit Quanten­rechner die hohen Erwartungen der Wirtschaft erfüllen können.

Aktuell gibt es zwei grundlegende Strategien, um Fehler in Quanten­prozessoren zu umgehen: Die erste besteht darin, die Fehlerrate zu reduzieren, indem die Qualität von Quantengatteroperationen auf der Hardwareebene durch eine bessere Qubit-Steuerung, Materialien oder Abschirmungen von externen Störungen erhöht wird. Dazu wurde über beeindruckende Fortschritte bei Ionen, supraleitenden Schaltkreisen und Spin-Qubits berichtet, sowohl aus der Industrie als auch von führenden akademischen Gruppen.

Die zweite Möglichkeit, mit Fehlern umzugehen, besteht darin, die Auswirkungen der Fehler auf Quantenoperationen zu messen und aktiv zu korrigieren – mit dem Ziel, einen vollständig fehlerkorrigierten, universellen Quanten­prozessor zu realisieren, der also beliebige Algorithmen ausführen kann. Da der Messvorgang den Zustand eines Qubits verändert, codiert man in fehlerkorrigierten Quantenrechnern die Informationen in verschränkte Zustände von mehreren Qubits, den „logischen Qubits“, und kann so den Einfluss von lokalen Störungen reduzieren und auftretende Fehler nachweisen, ohne die Berechnungen zu stören.

Zum Auftakt des Seminars hat Daniel Gottesmann dieses Vorgehen mit dem inspirierenden Vortrag „Chancen und Herausforderungen der Fehlerkorrektur von Quantenrechnern“ eingeführt. Auch die spätere Podiumsdiskussion „Der Weg zum Quantenvorteil“ zeigte beeindruckend, dass die führenden Plattformen an der Schwelle dazu stehen, die Nützlichkeit der aktiven Fehlerkorrektur nachzuweisen. Es sind also äußerst spannende Zeiten für das Gebiet, in denen einerseits mit rasantem Tempo immer bessere und größere Quantensysteme entwickelt werden, andererseits aber noch einige Hürden durch intensive internationale Zusammenarbeit und Wissensaustausch überwunden werden müssen. Diesbezüglich war das Seminar ein voller Erfolg und wir danken der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung für die Finanzierung und ausgezeichnete Organisation.

Dr. Andreas Fuhrer, IBM Research Zürich
Prof. Dr. Stefan Filipp, Walther‐Meißner‐Institut, Garching
Prof. Dr. Frank Wilhelm-Mauch, FZ Jülich & U Saarland
Dr. Maud Vinet, CEA Grenoble