High-Impact Quantencomputing Publikation in Science Advances
Neues Protokoll kombiniert Code-Switching und Verschachtelung von Quantenfehlerkorrektur-Codes, um einen skalierbaren, fehlertoleranten universellen Gatter-Satz zu liefern – ohne während der Berechnung Messungen durchführen zu müssen.
Veröffentlicht am 13. August 2025
Eine Forschungskooperation zwischen Prof. Markus Müller’s Forschungsgruppe für Theoretische Quantentechnologie am PGI-2 des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen, und KollegInnen der Universität Stuttgart hat gezeigt, wie Quantencomputer autonom betrieben werden können – ohne Berechnungen für Messungen oder Echtzeit-Feedback zu unterbrechen – und dabei gleichzeitig die strengen Schutzmaßnahmen beizubehalten, die für Fehlertoleranz erforderlich sind. Die heute in Science Advances veröffentlichte Arbeit stellt einen frei skalierbaren, messungsfreien Ansatz für fehlertolerantes Quantencomputing vor, der einen vollständigen universellen Satz von Logikgattern implementiert.
Damit Quantencomputer in der Praxis nutzbar werden, werden zwei Bausteine benötigt, deren experimentelle Realisierung sehr schwierig ist: (1) Fehlerkorrektur, die robust genug ist, um den Störungen standzuhalten, denen Qubits permanent ausgesetzt sind, und (2) die Flexibilität, jede von einem Algorithmus geforderte Gatteroperation so auszuführen, dass mögliche auftretende Störungen bis zu einem gewissen Grad toleriert werden. Während Fortschritte in der Theorie der Quantenfehlerkorrektur und jüngste experimentelle Durchbrüche beide Bereiche vorangebracht haben, hängen viele Protokolle von Messungen während des Betriebs und schnellen, in Echtzeit auszuführenden Feedback-Operationen ab. Diese Schritte können langsam und störend sein – insbesondere bei führenden Plattformen mit gefangenen Ionen, neutralen Atomen und Supraleitern – und zu Verzögerungen, Erwärmung und zusätzlichen Fehlern führen, die die Leistungsfähigkeit massiv einschränken. Die neue Studie umgeht dieses Problem. Aufbauend auf Ideen aus der messungsfreien Fehlerkorrektur entwickeln die Forscher Code-Switching-Protokolle, die relevante Informationen kohärent auf Hilfsqubits übertragen, Feedback innerhalb des Quantenschaltkreises selbst durchführen und dann die Hilfsqubits zurücksetzen – hierdurch wird die entstehende Entropie entfernt, ohne jemals auf Ergebnisse von Messungen währender Laufzeit warten zu müssen. Durch die Kombination dieser Strategie mit Codeverschachtelung - um die Toleranz gegenüber Fehlern weiter zu erhöhen – gelingt es dem Team einen skalierbaren, fehlertoleranten universellen Gatter-Satz zu realisieren, der während eines gesamten Algorithmus messungsfrei arbeitet. „Unser Ziel war es, den Computer während des Betriebs sich selbst überlassen zu lassen“, sagt Friederike Butt, Doktorandin in Müllers Arbeitsgruppe. „Durch den Verzicht auf Messungen und darauf aufbauendem Feedback während des Algorithmus können wir eine schnelle Berechnung ermöglichen und dennoch die strengen Anforderungen an die Fehlertoleranz erfüllen.“ Die Forschungsgruppen in Jülich/Aachen und Stuttgart sind beide Teil des Konsortiums MUNIQC-Atoms, das einen vom BMFTR geförderten Quantencomputer mit neutralen Atomen entwickelt.
Ein Quantenalgorithmus kann mit Bausteinen aus einem universellen Gatter-Satz (zum Beispiel {H, CNOT, T}) und - um Fehlertoleranz zu gewährleisten - Quantenfehlerkorrektur konstruiert werden. Um das T-Gatter fehlertolerant zu implementieren, entwickeln die Autoren Code-Switching-Protokolle, die ohne Messungen während der Rechnung auskommen. Das Verschachteln von Codes ermöglicht es diese Protokolle zu skalieren, wodurch Fehler im Prinzip beliebig stark unterdrückt werden können.
Friederike Butt et al. Measurement-free, scalable, and fault-tolerant universal quantum computing. Science Advances 11, eadv2590(2025). DOI:10.1126/sciadv.adv2590
Kontakt
Prof. Dr. Markus Müller
Leader of the Research Group for Theoretical Quantum Technology
- Peter Grünberg Institut (PGI)
- Theoretische Nanoelektronik (PGI-2)
Raum 264