Die Forschenden stellen in einer kürzlich veröffentlichten Studie eine skalierbare Methode vor, mit der sich logische Quantenoperationen auf der Ebene der zugrunde liegenden Quantenbits verlässlich charakterisieren lassen. Die „Cycle Error Reconstruction“ identifiziert, welche physikalischen Fehler die Qualität logisch kodierter Gatter beeinflussen. „Mit der Cycle Error Reconstruction können wir die Fehlerstruktur quantitativ erfassen und klar zwischen korrigierbaren und nicht korrigierbaren Beiträgen unterscheiden,“ betont Erstautor Robert Freund vom Institut für Experimentalphysik.
Von physischen zu logischen Quantenbits
Der Weg zu fehlertolerantem Quantenrechnen führt über logische Qubits: Weil Quanteneffekte sehr fragil und physische Qubits deshalb fehleranfällig sind, werden mehrere Qubits zu einem logischen Quantenbit zusammengefasst. Damit wächst die Komplexität der Diagnose. „Klassische Benchmarks sind für Operationen zwischen zwei logischen Qubits nur bedingt geeignet, weil viele physische Qubits beteiligt sind und Fehler kontextabhängig auftreten“, erklärt Robert Freund.
Die neue Methode erfasst Fehler über wiederholte Rechenzyklen und rekonstruiert daraus kompakte, repräsentative Fehlerbeschreibungen für viele Qubits zugleich. Das Verfahren ist ressourcenschonend, skaliert mit der Registergröße und liefert belastbare Kenngrößen für logisch relevante Mehrqubit-Gatter. Gezeigt wurde dies an einem transversal ausgeführten CNOT-Gatter in einem 16‑Qubit‑Ionenfallenprozessor an der Universität Innsbruck. „Die Methode macht kontextabhängige Fehler sichtbar und zeigt, wo Kalibrierung und Stabilisierung ansetzen müssen, um logische Gatter verlässlich zu betreiben,“ sagt Thomas Monz, der Leiter der Innsbrucker Forschungsgruppe.
Schritt hin zu fehlertolerantem Rechnen
Die Analyse deckte lokale Phasenfehler und fehlerhafte Kalibrierungen einzelner Steueroperationen auf. Mit einem statistischen Modell werden Fehlerabhängigkeiten effizient modelliert, um Beiträge zu identifizieren, die durch Fehlerkorrekturcodes adressierbar sind, und solche, die die logische Zuverlässigkeit begrenzen. Das erlaubt präzise Leistungsprognosen und zeigt Entwicklungsteams von Quantencomputerhardware, wo kritische Fehlerquellen liegen und wie Rechenfehler minimiert werden können – ein Schritt hin zu verlässlich fehlertoleranten Quantenprozessoren.
Beteiligt waren an der Studie neben dem Team der Universität Innsbruck, das Centre for Engineered Quantum Systems an der University of Sydney in Austrialien und das Institute for Quantum Computing der University of Waterloo in Kanada. Gefördert wurde die Forschungsarbeit unter anderem durch den Wissenschaftsfonds FWF, die Europäische Union und die Industriellenvereinigung Tirol.
Publikation: Characterizing Physical and Logical Errors in a Transversal CNOT Gate via Cycle Error Reconstruction. Nicholas Fazio, Robert Freund, Debankan Sannamoth, Alex Steiner, Christian D. Marciniak, Manuel Rispler, Robin Harper, Thomas Monz, Joseph Emerson, Stephen D. Bartlett. Phys. Rev. X 16, 011030 DOI: 10.1103/qfwc-584t