30. Januar 2026
Quantencomputer gelten als Schlüsseltechnologie der Zukunft. Sie eröffnen neue Möglichkeiten, hochkomplexe Vorgänge zu berechnen, etwa in der Chemie oder bei der Optimierung komplizierter Abläufe, die mit klassischen Computern kaum oder gar nicht zu bewältigen sind. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass ihre Recheneinheiten, die Qubits, zuverlässig vor Fehlern geschützt und kontrolliert miteinander verbunden werden. Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich haben gemeinsam mit Forschenden der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) demonstriert, wie sich mit der sogenannten Lattice-Surgery-Methode aus einem logischen Qubit zwei logisch verschränkte Qubits erzeugen lassen, die miteinander wechselwirken. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu funktionsfähigen Quantencomputern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Die Recheneinheiten eines Quantencomputers reagieren sehr empfindlich auf äußere Störungen. Temperaturschwankungen, Magnetfelder oder kosmische Strahlung können die Qubits beeinflussen und ihren quantenmechanischen Zustand zerstören. Das macht die physikalische Umsetzung besonders anspruchsvoll. Qubits lassen sich auf unterschiedliche Weise realisieren, etwa durch Lichtteilchen, gefangene Ionen oder, wie in der vorliegenden Studie, durch supraleitende Schaltkreise. Allen Systemen ist gemeinsam, dass sie gegen äußere Einflüsse abgeschirmt und durch spezielle Verfahren stabilisiert werden müssen. Denn im Gegensatz zu klassischen Computern lassen sich Fehler in Quantencomputern nicht einfach durch Wiederholungen oder direkte Messungen beheben.
Die Lösung liegt in der sogenannten Quantenfehlerkorrektur. Dabei werden viele physikalische Qubits zu einem stabilen logischen Qubit zusammengefasst. Die physikalischen Qubits sind hierbei die tatsächlichen, physischen Einheiten, während das logische Qubit eine abstrakte, durch Fehlerkorrektur geschützte Recheneinheit darstellt. Diese Struktur ermöglicht es, Fehler einzelner Qubits zu erkennen und gezielt zu korrigieren, ohne den empfindlichen Quantenzustand direkt zu messen und damit zu zerstören. Für echte Quantenalgorithmen reicht ein einzelnes stabiles Qubit allerdings nicht aus. Vielmehr ist es entscheidend, mehrere logische Qubits miteinander zu verschränken und präzise Rechenoperationen zwischen ihnen auszuführen.
Lattice Surgery bedeutet, dass einzelne logische Qubits im Gitter (engl. Lattice) zusammengefügt oder getrennt werden, wobei im übertragenen Sinne „chirurgische“ Operationen durchgeführt werden. In der aktuellen Studie wird das Gitter aus physikalischen Qubits, auf dem das logische Qubit abgebildet ist, so verändert, dass sich die Fläche in zwei Bereiche aufteilt. Jeder dieser Bereiche repräsentiert ein neues logisches Qubit. Die Quanteninformation wird dabei zwischen den beiden Bereichen aufgeteilt, sodass ein verschränkter Zustand entsteht. Gleichzeitig können auftretende Fehler während des Vorgangs durch die bestehende Fehlerkorrektur erkannt und zum Teil direkt kompensiert werden, ohne dass eine direkte Messung der Qubits notwendig ist.
Die Jülicher Wissenschaftler Lukas Bödeker und Dr. Luis Colmenarez, die in der von Prof. Markus Müller geleiteten Arbeitsgruppe für Theoretische Quantentechnologie forschen, die sowohl am Forschungszentrum Jülich im Peter-Grünberg-Institut als auch an der RWTH Aachen angesiedelt ist, unterstützten das Team von Professor Andreas Wallraff von der ETH Zürich bei der experimentellen Arbeit. Sie führten Vorabsimulationen durch und halfen bei der Planung der logischen Protokolle. „Für diese wegweisende experimentelle Arbeit haben wir theoretisch analysiert, wie sich der Zustand eines logischen Qubits zuverlässig und fehlerresistent von einem Ort zum anderen übertragen lässt”, erklären die beiden Wissenschaftler. Zur Publikation in Nature Physics.
Die aktuelle Studie leistet einen wichtigen Beitrag zur Realisierung skalierbarer Quantencomputer. Lattice Surgery gilt als vielversprechender Baustein für den modularen Aufbau großer Quantenprozessoren. In diesen können logische Qubits zuverlässig miteinander kommunizieren, ohne die Stabilität des Gesamtsystems zu beeinträchtigen.
Ein zentraler Gegenstand aktueller Forschung ist die effiziente und fehlertolerante Erzeugung sogenannter „magischer Zustände“. Diese speziell vorbereiteten Qubit-Zustände ermöglichen komplexe Rechenoperationen, die mit herkömmlichen Mitteln nicht realisierbar sind. Erst durch die Einbindung dieser Zustände in fortgeschrittene Quantenalgorithmen lässt sich ein Rechenvorteil gegenüber klassischen Computern erzielen.
Text: Irina Heese
Leader of the Research Group for Theoretical Quantum Technology
