Ziel
Wir verbessern die Zuverlässigkeit Quanten-Informationsverarbeitung zum Beispiel mithilfe von Fehlermodellen, Simulatoren für Quanten-Fehlerkorrekturalgorithmen und neuen Decodern für die Quantenfehlerkorrektur.
Quantencomputer der NISQ-Ära (Noisy Intermediate Scale Quantum Computer) sind anfällig für Fehler, die Berechnungen unbrauchbar machen. Für bestimmte Anwendungen und Algorithmen ist eine Fehlerminderung deswegen unerlässlich. Im Projekt R-QIP befassen wir uns mit solchen Techniken zur Quantenfehlerkorrektur, um Quantenberechnungen vor Fehlern zu schützen. Dazu beginnen wir mit einer Überprüfung der neuesten Fehlerkorrektur-Codes, erarbeiten Systemanforderungen und Systemmodelle und planen die Entwicklung einer Simulationsumgebung zur Validierung dieser Codes.
Motivation
Quantencomputer versprechen eine exponentielle Beschleunigung bei der Lösung bestimmter Problemklassen. Quanteninformation ist jedoch von Natur aus anfällig für Fehler und Informationsverluste. Die Hardware für Quantencomputer ist von Natur aus fehleranfällig, während die eigentliche Quantenberechnung nur in einer praktisch fehlerfreien Umgebung stattfindet. Damit also Quantenberechnung in der Praxis möglich ist, müssen die Informationen in den Qubits geschützt werden. Dies erfordert die Einführung einer Quantenfehlerkorrektur, die darin besteht, logische (oder Informations-) Qubits durch eine größere Anzahl physikalischer (oder encodierter) Qubits darzustellen. Sind also einige physikalische Qubits fehlerhaft, können die restlichen dazu benutzt werden die logischen Qubits wiederherzustellen.
Es ist aber wichtig, dass die Quantenfehlerkorrektur so effizient wie möglich ist, damit die wenigen verfügbaren Qubits für Rechenoperationen (und nicht ausschließlich für Fehlerkorrektur) genutzt werden können. Deswegen ist es unser Ziel, Quantenberechnung zukünftig zuverlässig und effizient zu gestalten.
Herausforderung
Wahrscheinlich werden bald die ersten vollwertigen Quantenfehlerkorrekturcodes realisiert. Das wäre ein großer Schritt für die praktische Umsetzbarkeit von Quantencomputern. Die derzeit geläufigsten Fehlerkorrekturverfahren, die sogenannten Surface Codes, benötigen jedoch größenordnungsmäßig 100 physische Qubits, um ein zuverlässiges logisches Qubit zu implementieren. Die Quantencomputer der nahen Zukunft werden aber nur über einige Hundert bis wenige Tausend physische Qubits verfügen. Die Anwendung von Surface Codes auf einem Quantencomputer dieser Größe ergibt maximal einige Zehn logische Qubits. Das ist für die meisten Anwendungen zu klein.
Deswegen wollen wir andere Quantencodes untersuchen, die weniger physische Qubits benötigen um ein (zuverlässiges) logisches Qubit zu implementieren. Neuartige Klassen von Quantencodes könnten diese Ineffizienz erheblich reduzieren, wie beispielsweise QLDPC-Codes (Quantum Low-Density Parity-Check) oder Quantenpolarcodes. In der Praxis ist deren Leistungsfähigkeit noch nicht ausreichend untersucht.
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