Physiker finden neue Methode zur Fehlerkorrektur auf Quantenebene

30. November 2017, 12:14
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Tiroler Forscher entwickelten theoretisches Konzept, wie Quantentechnologien robuster werden können

Innsbruck/Wien – Quantentechnologien sind im Kommen, sei es in der Kommunikation, der Sensorik oder beim lange ersehnten Quantencomputer. Die revolutionäre Technik basiert in der Regel auf hochempfindlichen Zuständen elementarer Teilchen. Eine internationale Forschergruppe unter Beteiligung der Universität Innsbruck hat nun im Fachjournal "Nature Communications" ein theoretisches Konzept vorgestellt, das solche Systeme robuster machen soll.

Eine der Grundvoraussetzungen, um die Effekte der Quantenwelt für technologische Anwendungen nutzbar zu machen, ist ein geeigneter Träger für Quanteninformation. Als besonders zukunftsträchtiger Ansatz gelten sogenannte Ionenfallen. Dabei werden einzelne Atome mittels elektrischer Felder in Schwebe gehalten, wobei versucht wird, sie möglichst gut von der Umgebung abzukoppeln. Das soll verhindern, dass die in den Elektronenhüllen der Atome gespeicherte Information durch Störungen von außen verloren geht.

Schwierige Fehlerkorrektur mit ungewöhnlicher Maßnahme

Treten dennoch Störungen auf, bedarf es meist sehr aufwendiger Maßnahmen, um die Fehler zu korrigieren. Analog zur klassischen Informationsverarbeitung kommen dafür logische Schaltungen zum Einsatz. "In einem Quantensystem ist das allerdings um einiges schwieriger", erklärte Christine Muschik vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW). "Man kann schließlich nicht einfach nachschauen, in welchem Zustand sich die einzelnen Komponenten befinden. Das würde die im System gespeicherte Quanteninformation zerstören."

Um diesem Problem beizukommen, schlagen die Forscher eine ungewöhnliche Maßnahme vor: Anstatt das Quantensystem möglichst gut abzuschirmen, soll die Umgebung selbst für die Korrektur von Fehlern sorgen. Dazu müssen die Ionen mit geeignetem Licht bestrahlt werden, das das System durchdringt, ohne dessen Quantenzustand zu ändern. Erst wenn sich ein Fehler eingeschlichen hat, kommt es zu einer Resonanz zwischen Licht und Teilchen, die in der Folge den Fehler automatisch korrigiert. "Damit spielt sich die gesamte Korrektur in der Quantenwelt ab – und keine Messung und auch kein logischer Schaltkreis sind erforderlich", so Muschik.

Erweiterbares Konzept

In ihrer aktuellen Studie beschäftigen sich die Forscher, darunter auch der Innsbrucker theoretische Physiker Peter Zoller, nur mit der Korrektur eines einzelnen, speziellen Fehlers, während etwa in einem Quantencomputer eine Vielzahl verschiedener Fehler auftreten kann. Wie Muschik betont, lässt sich das Konzept jedoch auf unterschiedlichste Fälle erweitern und könnte sofort auch auf Experimente, wie sie zurzeit etwa an der Universität Innsbruck laufen, angewendet werden.

Denn auch die Möglichkeit, nur einen einzigen, spezifischen Fehler unmittelbar zu korrigieren, birgt bereits großes Potenzial für praktische Anwendungen. So soll der neue Korrekturmechanismus genutzt werden, um die Genauigkeit bei der Erfassung schwacher Magnetfelder zu erhöhen. Theoretisch könnten Quantensensoren hier Messungen mit einer Präzision ermöglichen, die für klassische Systeme unerreichbar wäre. In der Praxis schränkt die Fehleranfälligkeit der Sensoren ihre Anwendbarkeit allerdings noch deutlich ein. (APA, red, 30.11.2017)

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