Fehlerteufel im Quantenland

News: Fehlerteufel im Quantenland

Dass Computer Fehler machen oder mal etwas vergessen, ist unvermeidlich. Doch mit geeigneten Korrekturmechanismen kann man kleine Patzer meist noch rechtzeitig ausbügeln. Leider lässt sich die erprobte Fehlerkontrolle herkömmlicher Rechner nicht ohne weiteres auf einen Quantencomputer übertragen. Indem Forscher eine bizarre Eigenschaft quantenmechanischer Systeme ausnutzten, gelang es ihnen nun immerhin, künstliche Fehler zu korrigieren. Bei richtigen Fehlern haperte es jedoch noch.

Thorsten Krome

Wer kennt das nicht: Der Computer quittiert mit einem blauen Bildschirm unsere Arbeit und verabschiedet sich mit einer kryptischen Fehlermeldung. Von einem Speicherfehler ist die Rede – das lässt sich gerade noch entziffern. Derartig unliebsame Ereignisse sollten unter normalen Umständen aber eher selten vorkommen, denn im Hintergrund – unbemerkt vom Nutzer – suchen Algorithmen ständig nach Fehlern und merzen diese aus. Erst wenn das nicht mehr funktioniert, kann der Rechner abstürzen.

Im einfachsten Fall gelingt das Auffinden von fehlerhaften Daten dabei, indem Bit für Bit der gesamte Speicherinhalt mit einer Kopie verglichen wird. Sollten dabei Abweichungen auftreten, überschreibt der Rechner die fehlerhaften Daten mit der Kopie.

Bei einem Quantencomputer würde ein solches Verfahren allerdings nicht erfolgreich sein. Denn seine Bits – die so genannten Qubits – kennen nicht nur die Zustände null und eins, sie bestehen vielmehr aus einer Überlagerung von Nullen und Einsen. Dieser Eigenschaft der Qubits wird der Computer zwar irgendwann einmal seine enorme Rechenleistung verdanken, allerdings verhindert sie auch wirkungsvoll, Kopien anzufertigen. Denn in dem Moment, in dem man versuchen würde, das Bit zu kopieren, müsste es sich entscheiden, ob es nun eins oder null sein möchte – ein Teil der Information ginge verloren. Was nun, muss der Quantencomputer auf eine Fehlerkorrektur verzichten?

Offensichtlich nicht, denn Emanuel Knill und seinen Kollegen vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico gelang es, Fehler in einem fünf Qubit langen Code aufzuspüren und zu korrigieren. Dabei handelt es sich gleichzeitig auch um das kürzeste Datenpaket überhaupt, bei dem es prinzipiell noch möglich ist, alle Fehler auszuräumen.

Im Experiment der Wissenschaftler repräsentieren eine Methylgruppe und vier Kohlenstoffatome einer linearen organischen Verbindung die fünf Qubits. Mit Hilfe elektromagnetischer Pulse wiesen die Forscher dabei der Methylgruppe einen definierten Spin zu, während sie den Rest in einem "Standard-Spin-Zustand" beließen. Durch weitere Pulse gelang es den Forschern dann, die Spin-Information der Methylgruppe mit den vier Nachbarn zu "verschränken". Das heißt, dass die fünf Spins eine innige quantenmechanische Beziehung eingingen, wobei jede Veränderung an einem Spin auch die anderen betraf.

Im nächsten Schritt veränderten die Forscher ein zufällig ausgewähltes Qubit – dadurch änderte sich auch der Zustand aller anderen Qubits, inklusive desjenigen, das durch die Methylgruppe dargestellt wurde. Indem die Wissenschaftler nun mit weiteren Pulsen wieder den ursprünglichen Zustand des auf der Methylgruppe sitzenden Qubits herstellten, konnten sie nun den Fehler anhand des Zustandes seiner vier Nachbarn identifizieren. Mit weiteren Pulsen, ließ sich der Fehler dann korrigieren.

Auf diese Weise gelang es Knill und seinen Kollegen in den meisten Fällen, den Zustand der fünf Qubits zu rekonstruieren. Manchmal schlich sich allerdings auch ein echter, unbeabsichtigter Fehler ein, und da versagte das Verfahren teilweise. Knill meint: "Wir können absichtlich eingebaute Fehler korrigieren, aber nicht all diese anderen." So scheint also eine Fehlerkorrektur prinzipiell möglich zu sein, aber wie so viele andere Aspekte des Quantencomputer, so muss auch hier im Detail noch manches Problem gelöst werden.