Quantum Random Access Memory (QRAM) Forscher verkünden Meilenstein bei skalierbarer supraleitender Quantencomputer-Architektur

Chinesische Forscher haben nach eigenen Angaben einen Durchbruch beim Test eines kohärenten Routingsystems für QRAM-Speicher erreicht. Damit könnten für Quantencomputer tiefere Schaltungen möglich und damit Fehler beim Skalieren vermeiden werden.

Ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China, dem chinesischen Quantencomputer-Startup Origin Quantum und dem Institute of Artificial Intelligence am Hefei Comprehensive National Science Center hat ein kohärentes Routingsystem für Quantenspeicher auf einem supraleitenden Quantenprozessor demonstriert. Die begleitende Studie wurde offen zugänglich im Fachjournal Physical Review X veröffentlicht. Die Arbeit erfolgte auf Basis von „Wukong“, einem von Origin Quantum entwickelten Quantenprozessor mit 72 supraleitenden Transmon-Qubits, von denen zehn für die Versuche genutzt wurden.

Im Mittelpunkt steht sogenannte Quantum Random Access Memory, kurz QRAM. Ein solcher Speicher soll Daten abhängig von Quantenadressen abrufen können und gilt als möglicher Baustein etwa für Quantensuche und Quanten-Machine-Learning. In der untersuchten Bucket-Brigade-Architektur übernehmen Quantenrouter die Aufgabe, Informationen abhängig vom Zustand einer Adresse durch ein binäres Netzwerk zu leiten. Mit zunehmender Größe werden herkömmliche Realisierungen jedoch schnell komplex: Die Zahl der nötigen Gatter und die Schaltungstiefe steigen, sodass sich Fehler und Dekohärenz stärker auswirken.

Hilfszustände verkürzen die Schaltung

Die Forscher setzen deshalb auf ein als Transition Composite Gate, kurz TCG, bezeichnetes Verfahren. Dabei werden höhere Energieniveaus der supraleitenden Transmons vorübergehend als Hilfszustände genutzt. Ein für den Router benötigtes kontrolliertes SWAP lässt sich so mit drei Zwei-Qubit-Übergangsgattern aufbauen. Nach Angaben der Studie sinkt die Schaltungstiefe eines Routers damit gegenüber einer konventionellen Clifford-Zerlegung deutlich: In der untersuchten Variante mit Fehlererkennung von 30 auf 12 Ebenen.

Zugleich dient das dritte Energieniveau der Transmons zur Fehlererkennung. Die Quantenadresse wird dafür in den nicht benachbarten Zuständen |0⟩ und |2⟩ kodiert. Gelangt sie aufgrund von Gatterfehlern, Dekohärenz oder thermischen Effekten in den dazwischenliegenden Zustand |1⟩, lässt sich dieser Vorgang bei der Messung erkennen. Die betreffenden Durchläufe werden anschließend verworfen. Dieses Postselection-Verfahren benötigt nach Darstellung der Autoren keine zusätzlichen Hilfs-Qubits.

Bei drei einzeln getesteten Quantenroutern verblieben nach dem Routing weniger als zwei Prozent der Population am Eingang, was einer Übertragungseffizienz von rund 98 Prozent entspricht. In den von den Forschern entwickelten Random-Access-Tests erreichten die drei Router mit Fehlererkennung Fidelitäten von 95,1, 93,5 und 95,7 Prozent. Im Mittel ergibt sich daraus der in der Studie angegebene Wert von 94,8 Prozent.

Zwei Routerebenen als Skalierungstest

Anschließend kaskadierte das Team drei Router zu einem zweistufigen Netzwerk. Die Module wurden dafür in einer dreieckigen Struktur auf dem Chip angeordnet; zusätzlich lassen sich Router einer Ebene teilweise parallel ansteuern, um die Schaltungstiefe zu begrenzen. Das Netzwerk erreichte laut Studie eine Übertragungseffizienz von 93 Prozent. Im Random-Access-Test lag die ermittelte durchschnittliche Fidelität mit Fehlererkennung bei 82,4 Prozent.

Die Ergebnisse zeigen allerdings auch, wo die Grenzen des Versuchs liegen. Als wichtigste Fehlerquellen nennen die Autoren Dekohärenz und Leckage in unerwünschte Zustände. Im zweistufigen Netzwerk kommt vermutlich zusätzlich Übersprechen zwischen Komponenten hinzu. Dadurch fällt der Nutzen der Fehlererkennung bei zunehmender Systemgröße geringer aus als aufgrund der Einzelrouter zu erwarten wäre. Demonstriert wurde zudem ein zweistufiges Routingsystem und damit noch kein vollständiger, großskaliger QRAM-Speicher.

Die Arbeit liefert damit vor allem einen experimentellen Nachweis, dass sich kohärente und reversible Quantenrouter mit vergleichsweise geringer Schaltungstiefe auf supraleitender Hardware kaskadieren lassen. Für größere QRAM-Systeme sehen die Forscher weiteren Entwicklungsbedarf bei Chip-Layout, Kohärenzzeiten, Pulssteuerung, Übersprechunterdrückung und Quantenverbindungen zwischen weiter entfernten Komponenten. Erst solche Fortschritte sollen den Übergang vom gezeigten Routing-Netzwerk zu umfassenderen Speicherzugriffen ermöglichen.(xx)

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