Zwei Projekte zur Verknüpfung fehlerkorrigierter Qubits lanciert

Quantencomputer lassen Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft seit vielen Jahren träumen. Sie versprechen, anspruchsvolle Rechenaufgaben zu lösen, an denen konventionelle Computer scheitern. Doch bis heute ist ihr Nutzen auf wenige, äussert spezifische Aufgaben beschränkt. Grund dafür ist ihre Fehleranfälligkeit.

In den letzten Jahren haben sich Forschende der ETH Zürich der Korrektur von Fehlern in Quantensystemen gewidmet. In einem Fall verknüpften sie erfolgreich 17 physische Quanten-Bits (Qubits) so, dass neun dieser Qubits gemeinsam ein logisches Qubit bildeten und die übrigen acht die Fehlerkorrektur übernahmen. In einem anderen Fall wurden Ionen, also geladene Atome, für die Qubits verwendet und ihre Bewegung zur stabilen Speicherung der Quanteninformation herangezogen. Das Problem: Ein einzelnes logisches Qubit macht noch keinen Quantencomputer.

Zwei Teams, zwei Technologien, ein Ziel

Die amerikanische Forschungsförderungsagentur IARPA hat darum mehrere Grundlagenforschungsprojekte lanciert, um zwei logische Qubits miteinander zu kombinieren und den Quantenzustand eines logischen Qubits auf ein zweites zu übertragen. Dazu plant sie in den kommenden vier Jahren insgesamt bis zu 40 Millionen Dollar in die beiden Projekte SuperMOOSE und MODULARIS zu investieren, an denen jeweils Forschende des PSI und der ETH Zürich beteiligt sind.

SuperMOOSE ist ein internationales Projekt unter der Führung von ETH-Professor Andreas Wallraff, der am PSI die Forschungsgruppe Supraleitende Schaltkreise Quantencomputing leitet.

MODULARIS wird von der Universität Innsbruck koordiniert. Hieran sind unter anderem der PSI-Forscher Cornelius Hempel, Leiter der Forschungsgruppe Ionenfallen Quantencomputing, sowie Jonathan Home, Professor an der ETH Zürich, beteiligt.

Sowohl bei SuperMOOSE als auch MODULARIS spielt der ETH Zurich – PSI Quantum Computing Hub am Paul Scherrer Institut eine tragende Rolle, da hier beide Institutionen ihre Kompetenzen im Bereich Quantum Computing bündeln.

Inhaltlich verfolgen SuperMOOSE und MODULARIS derweil unterschiedliche Technologien. Während das Team um Andreas Wallraff auf supraleitende Schaltkreise setzt, geht MODULARIS die Herausforderung auf Basis von Ionenfallen an. Die Fortschritte beider Teams werden in wissenschaftlichen Veröffentlichungen publiziert, und der Erfolg des auf vier Jahre geplanten Projekts wird fortlaufend evaluiert.

«Wenn es uns gelingt, zwei fehlerkorrigierte Qubits miteinander zu verknüpfen, dann schaffen wir damit die Grundlage für künftige Quantencomputer, die für ein breites Aufgabenspektrum genutzt werden können», sagt Andreas Wallraff. Dazu müssen jedoch in weiteren Schritten zunächst dutzende, dann hunderte und am Ende gar tausende logische Qubits miteinander verbunden werden.

Internationale Zusammenarbeit unerlässlich

Quantencomputer gelten als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Doch ihre Entwicklung ist komplex, zeitaufwendig und teuer. Die internationale Zusammenarbeit im Rahmen von Forschungskonsortien ist daher unerlässlich. «Dass die ETH Zürich und das PSI über den gemeinsamen Quantum Computing Hub an gleich zwei der ausgewählten Projekte beteiligt ist, freut uns sehr; es zeigt, dass wir mit der Gründung des Hubs die richtige Richtung eingeschlagen haben», sagt Cornelius Hempel. «Die Skalierung zu grösseren Systemen, wie sie für logische Qubits unverzichtbar ist, gehört zu den Kernaufgaben des Hubs mit seiner Lage direkt neben den Grossforschungsanlagen des PSI. Unterstützt durch diese Finanzierung, können wir in beiden Projekten an der Weltspitze der Quantencomputer-Forschung mit dabei sein.»

Text: Erstellt auf der Grundlage einer Medienmitteilung der ETH Zürich mit Ergänzungen des Paul Scherrer Instituts