Quantenfehlerkorrektur

Klassische Computer korrigieren Fehler durch Redundanz: Eine Information wird dreifach gespeichert, und die Mehrheit gewinnt. Bei Qubits funktioniert das nicht direkt, denn eine Messung zerstört den Quantenzustand. Die Quantenfehlerkorrektur löst dieses Problem durch sogenannte logische Qubits, bei denen die Information über mehrere physische Qubits verteilt wird, ohne sie direkt zu messen.

Peter Shor und Andrew Steane entwickelten Mitte der 1990er Jahre die ersten funktionierenden Fehlerkorrekturcodes. Moderne Verfahren wie der Surface Code benötigen typischerweise 1.000 bis 10.000 physische Qubits pro fehlerkorrigiertem logischem Qubit. Bei aktuell verfügbaren Prozessoren mit einigen hundert bis tausend Qubits bleiben nach Fehlerkorrektur nur wenige nutzbare logische Qubits übrig.

Deshalb wird die aktuelle Ära als NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) bezeichnet: Quantencomputer sind zu groß für klassische Simulation, aber zu fehlerbehaftet für vollständige Fehlerkorrektur. Der Übergang zur fehlerkorrigierten Ära gilt als der entscheidende nächste Schritt.

Google meldete Ende 2024 mit dem Willow-Chip einen Durchbruch: Erstmals sank die Fehlerrate, wenn mehr Qubits hinzugefügt wurden, statt zu steigen. Damit wurde ein jahrzehntealtes theoretisches Versprechen erstmals experimentell eingelöst.

Gerade an der Fehlerkorrektur entscheidet sich, ob der Quantencomputer je mehr wird als ein faszinierendes Laborexperiment. Solange jeder Rechenschritt von Rauschen bedroht ist, bleiben die Maschinen unzuverlässig, und erst verlässliche logische Qubits öffnen die Tür zu wirklich nützlichen Anwendungen. Der Fortschritt von Googles Willow-Chip, bei dem zusätzliche Qubits die Fehlerrate erstmals senkten statt erhöhten, gilt deshalb als Schlüsselmoment. Er zeigt, dass der Weg zum fehlertoleranten Quantencomputer steinig, aber gangbar ist.