Rutgers und IBM berichten über Echtzeit-Feedback-Steuerung über 100 Qubits hinweg
Forschende von Rutgers, IBM und weiteren Partnern nutzten einen Heron-Chip mit 156 Qubits, um wiederholte Messungen und Rücksetzungen über bis zu 100 Qubits hinweg zu demonstrieren.
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Forschende von Rutgers, IBM und mehreren Partnerinstitutionen berichten, sie hätten Quanten-Feedback in Echtzeit über bis zu 100 Qubits hinweg demonstriert, indem sie wiederholte Messungen und Rücksetzungen einsetzten, während ein Prozessor weiterlief. Der Mitteilung zufolge wurde die Arbeit auf einem IBM Quantum Heron Prozessor mit 156 Qubits durchgeführt und in einer in Nature Physics veröffentlichten Studie beschrieben. Das Ergebnis adressiert eine zentrale Voraussetzung für fehlertolerantes Quantencomputing: die Fähigkeit, Teile eines Systems zu überwachen und wiederholt einzugreifen, ohne die Berechnung anzuhalten.
Was angekündigt wurde
Das Team erklärt, es habe auf IBMs Heron-Hardware eine verbundene Kette aus bis zu 100 Qubits genutzt, um zu testen, ob ein Quantenprozessor in Echtzeit zwischen zwei Verhaltensweisen wechseln kann: Informationen über benachbarte Qubits zu verwirbeln und einzelne Qubits zu messen und anschließend zurückzusetzen, um diese Verwirbelung zu unterdrücken.
Insgesamt umfasste das Experiment dem Bericht zufolge fast 5.000 Zwei-Qubit-Operationen sowie fast 5.000 Messungen und Rücksetzungen. Die Forschenden bezeichnen es als die bislang größte erfolgreiche Demonstration dieser Art von feedbackbasierter Steuerung.
Der Rutgers-Professor Jedediah Pixley, einer der leitenden Autoren, sagte, das Feld werde solche Prüfungen und Korrekturen während einer Berechnung viele Male durchführen müssen, um Fehlertoleranz zu erreichen. IBM-Senior-Autorin Maika Takita sagte, die Herausforderung habe darin bestanden, Messungen zu wiederholen, während der Rest des Prozessors weiterarbeitete, statt das System anzuhalten.
Die technischen Details
Das Experiment setzte einen Wettbewerb zwischen zwei Prozessen auf. Ein Prozess verteilte Informationen unter benachbarten Qubits und erzeugte dabei zunehmend chaotische Dynamiken. Der andere Prozess maß ausgewählte Qubits und setzte sie zurück, wodurch das System in Richtung eines von den Forschenden gewählten geordneten Zustands gedrängt wurde.
Indem das Team variierte, wie oft jeder der beiden Prozesse auftrat, beobachtete es ein Schwellenverhalten. Wenn die Verwirbelung mehr als die Hälfte der Zeit stattfand, blieb das System chaotisch. Wenn Prüfen und Zurücksetzen überwogen, bewegte sich das System in ein kontrollierbares geordnetes Regime. Nahe einem ausgeglichenen Verhältnis führte schon eine kleine Verschiebung in der Rate der beiden Prozesse zu einer abrupten Veränderung des Systems.
Den Forschenden zufolge entspricht dieser abrupte Wechsel dem Bild eines Phasenübergangs: Das Quantensystem wechselt kollektiv von Chaos zu Kontrolle. Der ko-erste Autor Haining Pan sagte, der Übergang sei umso schärfer definiert gewesen, je größere Systeme das Team untersuchte, und die experimentellen Daten hätten den theoretischen Erwartungen entsprochen.
Der Bericht erläutert auch, warum das Ergebnis für Fehlerkorrektur wichtig ist. Quanteninformation lässt sich nicht einfach kopieren, und Messungen können den berechneten Zustand stören. Eine praxistaugliche fehlertolerante Maschine muss Fehler daher wiederholt erkennen und korrigieren können, während die kodierte Information erhalten bleibt.
Warum das wichtig ist
Die Mitteilung stellt das Ergebnis sowohl als Physikdemonstration als auch als Meilenstein des System-Engineerings dar. Auf der Physikseite stützt es eine theoretische Vorhersage, wonach wiederholte Eingriffe einen Übergang von unkontrollierter Quantendynamik in ein geordnetes, kontrollierbares Regime auslösen können. Auf der Hardwareseite zeigt es, dass heutige supraleitende Hardware Quantengatter, Messungen und Rücksetzungen über Tausende Durchläufe hinweg auf einem großen System koordinieren kann.
Das bedeutet nicht, dass fehlertolerantes Quantencomputing erreicht wurde. Der Bericht hält ausdrücklich fest, dass bislang niemand einen fehlertoleranten Quantencomputer gebaut hat. Aber die Fähigkeit, wiederholte Messungs- und Rücksetzungszyklen im großen Maßstab durchzuführen, ist einer der operativen Bausteine, die solche Systeme benötigen werden.
Worauf zu achten ist
Die nächste Frage ist, wie sich Techniken wie diese in vollständige Fehlerkorrekturprotokolle übertragen lassen, statt nur in kontrollierte Physikexperimente. Die Studie legt nahe, dass die Dynamic-Circuit-Fähigkeiten von IBM lange Sequenzen verschachtelter Operationen auf großen Qubit-Teilmengen aufrechterhalten können, was für künftige Demonstrationen logischer Qubits relevant ist.
An der Zusammenarbeit waren Forschende von Rutgers, IBM, dem City College of New York, dem CUNY Graduate Center, der Iowa State University, dem Ames National Laboratory, der Pennsylvania State University und der Louisiana State University beteiligt. Wie in der Mitteilung berichtet, erlaubte der Prozessor dem Team, Systeme zu untersuchen, die deutlich größer waren als die rund zwei Dutzend Qubits, die sie auf herkömmlichen Computern simulieren konnten.
Quellen
Die Informationen auf dieser Seite stammen aus den unten aufgeführten Quellen und wurden von DesignQuantum abgerufen.
- Rutgers And IBM Demonstrate Real-Time Control Across 100 Qubits thequantuminsider.com