Ein internationales Forschungsteam um Robert Ott und Hannes Pichler hat eine neue Architektur für Quantenprozessoren entwickelt, die speziell auf die Simulation von Fermionen – Teilchen wie Elektronen – ausgelegt ist. Die Methode lässt sich mit heute verfügbaren Technologien umsetzen.
Fermionen sind eine fundamentale Teilchenklasse in der Physik. Zu ihnen zählen Elektronen, Protonen und Neutronen – die Bausteine aller Materie. Sie unterliegen der sogenannten Pauli-Prinzip, wonach zwei Fermionen niemals exakt denselben Quantenzustand einnehmen können. Dieses Verhalten bestimmt wesentliche Eigenschaften von Materie, etwa die Struktur der Atome oder das Verhalten von Elektronen in Materialien.
Das Team vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem ÖAW-Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) zeigt, wie sich neutrale fermionische Atome in optischen Fallen nutzen lassen, um die komplexen Eigenschaften von Materialien und Molekülen effizient nachzubilden. Durch die Verwendung einzelner neutraler Atome, die selbst fermionische Teilchen sind, werden die fermionischen Eigenschaften direkt in der Hardware realisiert.
Fehlerkorrektur in fermionischen Systemen
Eine bisher offene Herausforderung bei dieser Art von Quantenprozessoren war die Integration von Fehlerkorrekturmechanismen. Klassische Strategien aus der Quanteninformatik stoßen hier an Grenzen, da in atomaren Systemen die Anzahl der Teilchen typischerweise fix ist – eine Voraussetzung, die viele etablierte Korrekturverfahren ausschließt.
Die neue Studie überwindet dieses Hindernis durch ein innovatives Konzept: ein sogenanntes „fermionisches Referenzsystem“, das aus zusätzlichen Atomen besteht. „Dieses fermionische Referenzsystem ermöglicht den kontrollierten Tausch von Teilchen zwischen Prozessor und Referenz, wodurch effektive Überlagerungen verschiedener Teilchenzahlen realisiert werden können. Dadurch wird die Korrektur von Fehlern auch in Systemen mit fester Teilchenzahl möglich“, sagt der Erstautor der Studie, Robert Ott.
Fehler um eine Größenordnung gesenkt
Die Forscher demonstrieren in ihrer Arbeit, wie mit dieser Architektur grundlegende Bausteine für fehlertolerantes Rechnen gebaut werden können. Zudem zeigen sie, dass sich gängige Fehlerarten – insbesondere Phasenfehler – mit hoher Effizienz identifizieren und korrigieren lassen. In Simulationen konnte die Fehlerwahrscheinlichkeit um eine Größenordnung gesenkt werden.
„Diese Arbeit ebnet den Weg für präzisere und skalierbare fermionische Quantencomputer mit bereits heute verfügbaren Technologien“, sagt Hannes Pichler, der Leiter der Forschungsgruppe. „Sie eröffnet neue Perspektiven für die Simulation komplexer quantenphysikalischer Systeme, insbesondere in der Chemie und Materialwissenschaft.“
Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union finanziell gefördert.