Quanten-Rechnen mit Schrödinger-Katzen-Zuständen (QuCoS)

Nach jahrzehntelanger experimenteller und theoretischer Forschung ist es mittlerweile möglich, Quantensysteme mit sehr hoher Präzision zu steuern und für Quanteninformationsanwendungen heranzuziehen. So ein Quantencomputer würde es ermöglichen Aufgaben zu lösen, die für einen herkömmliches Computer nicht oder nur sehr schwer lösbar sind. Trotz des großen Fortschrittes ist es noch ein langer Weg bis zur Realisierung eines vollwertigen Quantencomputers mit mehreren tausend Quantenteilchen. Eines der Hauptprobleme ist es dabei ein skalierbares System zu realisieren in dem Quanten-Fehlerkorrektur Algorithmen angewendet werden, also auftauchende Fehler erkannt und korrigiert werden. Das Ziel des QUANTERA Projekts CuQoS ist es ein Quantensystem basierend auf Supraleitenden Resonatoren und Schaltkreisen zu realisieren dass kontinuierliche Quantenfehlerkorrektur ermöglicht und den Weg zu einem Quantencomputer ebnet. Das Hauptmerkmal dieses Projekts ist es, dass die Quanteninformation in sogenannten Schrödinger Katzen-Zuständen in hoch kohärenten Mikrowellen Resonatoren codiert wird. Durch Realisierung spezieller supraleitender Schaltkreise wird es möglich sein kontinuierlich Fehler im Resonator-Quantenzustand zu erkennen und mit schnellem Feedback zu korrigieren. Des Weiteren werden Methoden erforscht die es erlauben Rechenoperation an einem so codierten quanten-bit durchzuführen und damit einen Quantencomputer zu realisieren. CuQOs ist eine Kollaboration mehrere theoretischer und experimenteller Forschungsgruppen in der EU die sich auf supraleitende Schaltkreise spezialisiert haben. Um das Projekt zu realisieren werden neuartige supraleitende Schaltkreise entwickelt und neue experimentelle Methoden angewendet werden. Es ist zu erwarten, dass die Ergebnisse dieses Konsortiums - bestehend aus 6 Arbeitsgruppen geleitet von G. Kirchmair (Universität Innsbruck) B. Huard (ENS Lyon), Zaki Leghtas und Mazyar Mirrahimi (ARMINES Paris), Ioan Pop (Karlsruher Institute für Technologie), Yonatan Cohen (Quantum Machines Israel) und L. Buimaga-Iarinca (National Institute for Research Romania) - weitreichende Konsequenzen für zukünftige Quantentechnologien und die Realisierung eines Quanten Computers haben werden.

Das vom FWF geförderte Projekt QuCos zielt darauf ab, das gleiche Niveau der Quantenfehlerkorrektur zu demonstrieren, das durch einige Hundert Qubits (mit Eigenschaften, die über den Stand der Technik hinausgehen) im heutigen Mainstream-Ansatz der sogenannten Surface-Code-Architektur bereitgestellt wird. Unser alternativer Ansatz ist als Cat-Codes bekannt, da er mehrere miteinander verbundene, hoch kohärente Resonatoren mit nichtlinearer Dissipation verwendet, um einen Qubit in einer Superpositionen von Schrödingers Katzenzuständen zu kodieren. Unser Projekt kombiniert die Realisierung der Quantenprozessorarchitektur sowie des Steuersystems und der Protokolle, die es antreiben, und baut auf einen voll funktionsfähigen, fehlerkorrigierten Quantencomputer hin. Die Partner unserer Zusammenarbeit bilden eine starke synergetische Gruppe, die über das gesamte Spektrum an Fachwissen verfügt, das erforderlich ist, um diese Systeme zu entwerfen und zu realisieren und diese anspruchsvollen Ziele zu erreichen. Darüber hinaus haben alle Partner unseres Projekts, sowohl aus der Industrie als auch aus der Wissenschaft, bereits zusammengearbeitet und Veröffentlichungen in den Bereichen Quantencomputing und Quanteninformationsverarbeitung erstellt. Unser Ziel ist es, fehlergeschützte Qubits und fehlertolerante Operationen zu implementieren und die Skalierbarkeit dieses Ansatzes durch die Realisierung eines Wiederholungscodes zu demonstrieren. Unser Projekt wird Quantenexperimente in Richtung des ehrgeizigen und klar definierten Ziels ermöglichen, einen logischen Qubit zu konstruieren, auf dem wir Gatter ausführen und vor allem Quantenfehlerkorrektur (QEC) betreiben können. Alle Algorithmen, die theoretisch nachgewiesene Quantenbeschleunigung erfordern, benötigen QEC; daher realisieren wir mit diesem Projekt einen wesentlichen Baustein für einen europäischen fehlerkorrigierten Quantenprozessor. In diesem Projekt zusammen mit internationalen Partner konnten wir die Lebensdauer eines solchen codierten Zustands um den Faktor 1 Million erhöhen und die Implementierung neuartiger Gatteroperationen auf diesen kodierten Qubits demonstrieren. Darüber hinaus untersuchen wir die Nichtlinearität einer Josephson-Kontaktstelle, haben eine neuartige Architektur zur Steuerung eines hoch kohärenten Resonators entwickelt und gezeigt, dass klassische thermische Zustände in eine Quanten-Superposition gebracht werden können.