Die Quanteninformation ist extrem anfällig für Störungen: Thermisches Rauschen, elektromagnetische Felder oder Unvollkommenheiten in den Gate-Operationen können die fragile Überlagerung und Verschränkung der Qubits zerstören. Ohne Mechanismen zur Fehlerkorrektur würde sich die Fehlerrate bei wachsender Schaltkreislänge schnell zu einem unbrauchbaren Ergebnis aufschaukeln.
Die Grundidee der Quantenfehlerkorrektur besteht darin, einen logischen Qubit-Zustand auf viele physikalische Qubits zu verteilen und periodisch sogenannte Syndrommessungen durchzuführen. Im Gegensatz zur klassischen Fehlerkorrektur kann man die Zustände der Qubits jedoch nicht einfach kopieren (No-Cloning-Theorem). Stattdessen werden Redundanz und Versc
hränkung
genutzt, um sowohl Bitflip- als auch Phasenfehler zu erkennen, ohne den Informationsgehalt zu zerstören.
uQubits sind extrem empfindlich gegenüber Störeinflüssen wie Rauschen und Kopplungen zur Umgebung. Kleine Fehler können die Kohärenz zerstören und die Berechnung verfälschen. Quantenfehlerkorrektur ist daher unverzichtbar, um skalierbare Quantencomputer zu realisieren. bekanntesten Codes gehört der Surface Code: Er ordnet Qubits auf einem zweidimensionalen Gitter an, wobei sogenannte Stabilizer-Operatoren lokale Paritätsmessungen durchführen. Dieses topologische Schema besitzt eine recht hohe Fehlertoleranz (Fehlerschwelle von ca. 1 %) und lässt sich gut mit supraleitenden oder neutralen Atomqubits realisieren. Neben dem Surface Code gibt es Alternativen wie Farbcode, Bacon-Shor-Code oder concatenated Codes, die je nach Hardwareplattform unterschiedliche Vor- und Nachteile haben.
In den vergangenen Jahren haben Forscher erste Demonstrationen der Quantenfehlerkorrektur auf kleinen Prozessoren gezeigt. Google realisierte 2021 ein „Break-even“-Experiment, bei dem ein logischer Qubit mit Hilfe des Surface Codes die gleiche Kohärenzzeit erreichte wie seine besten physikalischen Qubits. IBM und andere Unternehmen verfolgen ähnliche Programme und arbeiten daran, die Zahl der Qubits für Fehlerkorrektur drastisch zu erhöhen.
Die größte Herausforderung bleibt die erhebliche Ressourcenanforderung: Um einen einzigen logischen Qubit stabil zu betreiben, sind je nach Fehlerschwelle hunderte bis tausende physikalische Qubits erforderlich. Fortschritte in der Materialwissenschaft, im Gatedesign und in der Topologie der Codes könnten den Ressourcenbedarf senken. Langfristig wird die Quantenfehlerkorrektur jedoch unverzichtbar sein, um skalierbare, fehlertolerante Quantencomputer zu bauen.
