Noisy Quantenforschung mit Fun-Faktor

«Wenn man heute jemanden auf einer Party beeindrucken will, sollte man sagen, dass man ein Quantenwissenschaftler ist», scherzte Professor Renato Renner, als er den Redner der diesjährigen Wolfgang-Pauli-Lecture, Professor John Preskill vom California Institute of Technology, vorstellte. Wie Renner ausführte, mögen Quantenwissenschaft und -technologie derzeit auf ein breites Interesse stossen und einen grossen Hype auslösen, doch in den neunziger Jahren war das nicht der Fall. Damals wechselte Preskill von der Hochenergiephysik in das sich entwickelnde Gebiet der Quanteninformation. Dazumals mochte dies für einen theoretischen Physiker ein gewagter Schritt sein: Einige zögerten, das Gebiet als einen Zweig der Physik zu betrachten und niemand wusste so recht, wie ein Quantencomputer aussehen würde. Preskills Entscheidung erwies sich jedoch als erfolgreich, da er in Bereichen wie der Quantenkryptografie und der Quantenfehlerkorrektur neue Wege beschritt.

In seinem öffentlichen Vortrag erläuterte Preskill, wie die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften der Quanteninformation für praktische Zwecke auf drei Säulen ruht: Die erste ist die Quantenverschränkung, die ein verwirrter Einstein als ‹spukhafte Fernwirkung› bezeichnete, die zweite die Quantenberechnung und die dritte die Fehlerkorrektur. Letztere ist von entscheidender Bedeutung, denn jeder noch so leistungsfähige Quantencomputer muss mit der Dekohärenz fertig werden, die die im System gespeicherte Quanteninformation verfälscht und Rechenfehler verursacht, die der Erzielung von Quantenvorteilen gegenüber klassischen Computern entgegenstehen. Die Fehlerkorrektur begegnet der Bedrohung durch die Dekohärenz, indem sie Quanteninformationen in grossen verschränkten Systemen kodiert. Vollständig fehlertolerante Quantencomputer sind ein langfristiges Ziel auf diesem Gebiet. Derzeit entwickeln Forschende die von Preskill als NISQ (‹Noisy Intermediate-Scale Quantum›) bezeichnete Technologie. Bei ihr ist die Anzahl der Qubits noch begrenzt und die Berechnungen weisen noch Fehlern auf, aber der Quantenvorteil kann bereits erforscht werden.