Die aktuelle Epoche des Quantencomputings wird oft als NISQ-Ära bezeichnet – „Noisy Intermediate-Scale Quantum“. Damit sind Quantenprozessoren mit wenigen Dutzend bis einigen hundert Qubits gemeint, die noch weit von fehlerfreier Skalierung entfernt sind. Diese Systeme erlauben experimentelle Dem
onstrationen und erste Anwendungen, sind jedoch anfällig für Rauschen, Dekohärenz und Gate-
.
Rauschen und Dekohärenz
In einem NISQ-Gerät beeinflussen Umwelteinflüsse wie Temperatur, elektromagnetische Felder und Materialunreinheiten die Qubits und führen zu Dekohärenz. Das bedeutet, dass die quantenmechanische Phase und Verschränkung verloren gehen. Je länger ein Rechenprozess dauert, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler auftreten. Daher müssen Quantenalgorithmen für NISQ-Geräte kurz und robust gestaltet sein.
Fehlerkorrektur und Fehlermitigation
Um langfristig skalierbare Quantencomputer zu bauen, wird eine vollständige Quantenfehlerkorrektur benötigt. Sie kodiert logische Qubits in vielen physikalischen Qubits und erkennt sowie korrigiert Fehler. Für NISQ-Geräte sind solche Codes noch zu ressourcenintensiv. Stattdessen werden Fehlermitigationstechniken genutzt: Man misst die Fehlerwahrscheinlichkeit mit Kalibrierungsruns und extrapoliert das Rauschen heraus, oder man nutzt symmetrische Kontrollsequenzen, um systematische Fehler zu reduzieren.
Variationale Algorithmen
Ein wichtiger Ansatz, um NISQ-Geräte sinnvoll einzusetzen, sind variationale Quantenalgorithmen wie VQE und QAOA. Sie kombinieren einen Quantenkern mit einem klassischen Optimierer. Das Quantenmodul berechnet Erwartungswerte eines parametrisierten Quantenschaltkreises, während der klassische Rechner die Parameter so anpasst, dass eine Zielfunktion minimiert wird. Diese hybriden Ansätze sind relativ tolerant gegen Rauschen und nutzen die vorhandenen Qubit-Ressourcen effizient.
Wege zur Skalierung
Um die NISQ-Phase zu überwinden, arbeiten Forscher an mehreren Fronten: Bessere Materialien und Architekturen sollen die Kohärenzzeiten verlängern; neue Fehlerkorrekturcodes wie der Surface Code oder Low-Density Parity Codes können Fehlerschwellen weiter senken; und modulare Konzepte wie vernetzte Quantenprozessoren können die Zahl der Qubits steigern. Parallel dazu entwickeln Firmen Post-Quantum-Kryptografie und hybrid-klassische Software, um die Ergebnisse der NISQ-Geräte sinnvoll zu nutzen.
Die NISQ-Ära ist ein wichtiger Zwischenschritt hin zu vollständig fehlertoleranten Quantencomputern. Trotz der Herausforderungen bietet sie die Möglichkeit, neue Algorithmen zu erproben, die Grundlagen von Quantenhardware zu verbessern und Erfahrungen für die Zukunft zu sammeln.
