QCDA

Quantencomputer haben enormes Potenzial: Die Verwendung quantenmechanischer Effekte erlaubt komplett neue Formen der Informationsverarbeitung, deren Verwendung in der Naturwissenschaft und der Informationstechnologie weitreichende gesellschaftliche Nutzen verspricht.Der Realisierung von Quanteninformationsverarbeitung ist jedoch durch die intrinsische Fragilität von Quantenzuständen erschwert: Physikalische Quantenbits (Qubits), die direkt durch bestehende physikalischen Freiheitsgrade etwa in Elektronen oder Photonen realisiert sind, verlieren typischerweise ihre Kohärenz bevor sinnvolle Berechnungen durchgeführt werden können.

Die Quantenfehlerkorrektur bietet hier einen Ausweg: Durch Verwendung kollektiver Freiheitsgrade können logische Qubits realisiert werden, die vor typischen Störungen abgeschirmt sind und längere Lebenszeiten besitzen. Von zentraler Bedeutung ist hierbei der Ressourcen-Overhead, d.h. die Frage, wieviele physikalische Qubits für ein einzelnes logisches Qubit einer bestimmten Güte benötigt werden.

Die von Kitaev vorgeschlagenen „Surface codes“ sind – insbesondere unter Hardware-Entwicklern – populäre Kandidaten für Quantencodes. Die Entdeckung dieser Codes ist einer der Hauptgründe für den derzeitigen Optimismus in diesem Forschungsgebiet: Diese Architekturen lassen hoffen, Quantencomputer in nicht allzu weiter Zukunft tatsächlich zu realisieren. Entsprechend arbeiten große industrielle Akteure wie Google, IBM und Intel an Hardwarearchitekturen für Quantencomputer, die auf den Surface codes basieren.

Leider zeigt eine genauere Analyse, dass der Surface Code-basierte Ansatz für interessante Anwendungen erhebliche Ressourcen benötigt: Diese könnten im Bereich von Millionen von Qubits liegen. Daher ist es essentiell, die Architektur von Quantencomputern neu zu überdenken: Es gilt, alternative Ansätze zu finden, die sowohl praktisch sind, als auch mit weniger Ressourcen auskommen. Dies ist das Ziel des QCDA-Verbundprojektes: Es strebt das Design einer neuen Generation von logischen Qubits und Quantencodes an. Durch die Entwicklung neuer Architekturen sollen Hardware-Anforderungen markant reduziert werden. Dies wird den Übergang des Quantencomputings von einem akademischen Forschungsumfeld in die Industrie und Gesellschaft erleichtern.

Das Projekt hat zwei Forschungsschwerpunkte. Einerseits sollen Qubitcodes entwickelt werden, die Skaleneffekte zwischen großen Blöcken logischer Qubits nutzen. Entsprechende Konstruktionen sind in der konventionellen Informationstechnologie wohlbekannt: sogenannte LDPC (low density parity check) Codes werden standardmäßig in allen Kommunikationsnetzen verwendet. Das QCDA Projekt wird untersuchen, inwieweit sich diese hocheffizienten klassischen Techniken in Quantencodes übersetzen lassen.

Der zweite Schwerpunkt des Projektes ist die Entwicklung von Codes, die über Qubits hinausgehen. Dies ist dadurch motiviert, dass die Physik typischer Quantensysteme oft nicht diejenige einzelner Qubits sondern von Quantenoszillatoren ist. Beispiele entsprechender Hardware-Plattformen sind auf Licht basierende (quantenoptische) Systeme sowie supraleitende Schaltkreise. Die Konstruktion von Codes, die statt Qubits die speziellen physikalischen Eigenschaften von Quantenoszillatoren nutzen, verspricht experimentell einfacher realisierbare Lösungsansätze.