In einem Quantencomputer dienen Quantenbits (Qubits) als Recheneinheit und Speicher zugleich. Weil Quanteninformation nicht kopiert werden kann, lässt sich diese nicht wie beim klassischen Computer in einen Speicher auslagern. Aufgrund dieser Einschränkung müssen alle Qubits eines Quantencomputers miteinander wechselwirken können. Für den Bau leistungsstarker Quantencomputer stellt dies aktuell noch eine große Herausforderung dar.
Diese Schwierigkeit hat der theoretische Physiker Wolfgang Lechner 2015 gemeinsam mit Philipp Hauke und Peter Zoller thematisiert und eine neue Architektur für einen Quantenrechner vorgeschlagen, die heute nach den Autoren benannte LHZ-Architektur. „Diese Architektur war ursprünglich für Optimierungsprobleme konzipiert“, erinnert sich Wolfgang Lechner vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Dabei haben wir die Architektur auf ein Minimum reduziert, um diese Optimierungsprobleme möglichst effizient lösen zu können.“
Die physikalischen Qubits repräsentieren in dieser Architektur nicht einzelne Bits, sondern stellen die relative Koordinierung zwischen den Bits dar. „Dadurch müssen nicht mehr alle Qubits miteinander wechselwirken“, erläutert Lechner. Mit seinem Team hat er nun gezeigt, dass dieses Parity-Konzept auch für einen universellen Quantencomputer taugt.
Komplexe Rechenoperationen werden vereinfacht
Parity-Rechner können wechselwirkende Gatteroperationen – also Rechenoperationen zwischen zwei oder mehreren Qubits – auf einem einzelnen Qubit ausführen. „Bereits existierende Quantencomputer setzen solche Operationen im Kleinen schon sehr gut um“, erklärt Michael Fellner aus dem Team von Lechner. „Mit der Zahl der Qubits wird es aber immer aufwändiger, diese wechselwirkenden Gatteroperationen zu implementieren.“
Die Innsbrucker Wissenschaftler zeigen nun dass Parity-Rechner zum Beispiel Quantenfouriertransformationen – ein grundlegender Baustein sehr vieler Quantenalgorithmen – mit deutlich weniger Rechenschritten und damit rascher ausführen können. „Durch die hohe Parallelität unserer Architektur kann etwa der bekannte Shor-Algorithmus zur Faktorisierung von Zahlen sehr effizient ausgeführt werden“, erläutert Fellner.
Zweistufige Fehlerkorrektur
Das neue Konzept bietet außerdem eine Hardware-effiziente Fehlerkorrektur. Weil Quantensysteme sehr empfindlich auf Störungen reagieren, müssen Quantenrechner Fehler laufend korrigieren. Für den Schutz der Quanteninformation müssen erhebliche Ressourcen aufgewendet werden, was die Zahl der notwendigen Qubits sehr stark in die Höhe treibt.
„Unser Modell arbeitet mit einer zweistufigen Fehlerkorrektur, ein Typ von Fehlern (Bit-Flip-Fehler oder Phasenfehler) wird durch die verwendete Hardware unterbunden“, sagen Anette Messinger und Kilian Ender, ebenfalls Mitglieder des Innsbrucker Forschungsteams. Dafür gibt es bereits erste experimentelle Ansätze auf unterschiedlichen Plattformen. „Der andere Fehlertyp kann über die Software erkannt und korrigiert werden“, sagen Messinger und Ender.
Damit ließe sich eine nächste Generation von universellen Quantencomputern mit überschaubarem Aufwand realisieren. Das von Lechner und Magdalena Hauser mitgegründete Spin-off-Unternehmen ParityQC arbeitet in Innsbruck bereits mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an möglichen Umsetzungen des neuen Modells.
Die Forschungen an der Universität Innsbruck wurden vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und Forschungsförderungsgesellschaft FFG finanziell gefördert.
