Mit den "Replacement-Type Quantum Gates" führen Physiker von ParityQC eine neue Klasse von Quantengattern ein, die einen grundlegenden Wandel zu den bisherigen Paradigmen darstellt. Diese Gatter können auf verschiedenen Hardwareplattformen implementiert werden, darunter Neutralatome und Spin-Qubits, und zielen darauf ab, den für die Quantenfehlerkorrektur erforderlichen Aufwand drastisch zu reduzieren.

Bei herkömmlichen Quantengattern werden zwei Qubits miteinander in Kontakt gebracht, wodurch die Wechselwirkung zwischen ihnen ihren Zustand kontinuierlich verändert. In der neuen Veröffentlichung "Replacement-Type Quantum Gates" stellt eine Gruppe von Physikern von ParityQC (Florian Ginzel, Javad Kazemi, Valentin Torggler, Wolfgang Lechner) eine neue Methode vor, die die Funktionsweise von Gattern völlig neu definiert. Anstelle von paarweisen Wechselwirkungen und Rotationen der Qubitzustände basiert der neue Ansatz auf Kandidaten-Qubits, die in den möglichen Endzuständen des Gatters vorbereitet werden. Das Gatter selbst wählt die Kandidaten mit den gewünschten Zuständen aus, die dann die ursprünglichen Qubits ersetzen, daher der Name ersetzende Gatter. Dieser Prozess kommt ohne Rotationen des Zustands aus und findet in einem stark vergrößerten Hilbert-Raum statt, wodurch er die Einschränkungen eines bekannten No-Go-Theorems umgeht, das bei den meisten Qubit-Typen Operationen verbietet, die die Fehlerasymmetrie erhalten.

Erhalten der Fehlerasymmetrie für eine effiziente Fehlerkorrektur

Einer der vielversprechendsten Vorteile der neuen Methode ist ihr Potenzial, die intrinsische Fehlerasymmetrie physikalischer Hardwareplattformen zu erhalten, wie beispielsweise die überwiegende Tendenz zu Phasenfehlern in Spin-Qubits oder Rydbergatom-Qubits. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Fehlerasymmetrie genutzt werden kann, um den Ressourcenbedarf der Quantenfehlerkorrektur (QEC) drastisch zu reduzieren. Die meisten herkömmlichen Gattersätze (insbesondere solche, die CNOT-Gatter in Hadamard- und CZ-Gattern zerlegen) zerstören jedoch diese Asymmetrie der Fehler, wodurch sie nicht mit effizienten, an die physikalischen Fehler angepassten Codes vereinbar sind. Ersetzende Gatter vermeiden dieses Problem, da sie die Fehlerasymmetrie erhalten und somit einen entscheidenden Vorteil für die Implementierung von Fehlerkorrekturschemata darstellen.

Hin zu realisierbarer Fehlertoleranz mit weniger Aufwand

Die Forscher schlagen konkrete Beispiele für ersetzende X- und CNOT-Gatter sowohl für Rydbergatom-Qubits als auch für Spin-Qubits in Quantenpunkten vor und zeigen damit die breite Anwendbarkeit auf wichtigen Quantenhardwareplattformen. Dieses neue Gatterkonzept könnte eine Schlüsselrolle für die baldige Umsetzung von Fehlertoleranz spielen, indem es den typischerweise für QEC erforderlichen hohen Aufwand reduziert. Bei erhaltener Fehlerasymmetrie können asymmetrische oder sogar klassische Codes effektiv eingesetzt werden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Qubits und Operationen drastisch reduziert wird.

Das neuartige Konzept steht in direktem Einklang mit der langfristigen Vision für die ParityQC-Architektur. "Die Idee hinter diesem Durchbruch ist, die Stärken der ParityQC-Architektur weiter zu nutzen", erklärt Florian Ginzel, Quantenhardware-Physiker bei ParityQC. "Unsere Architektur kann als Fehlerkorrekturcode verstanden werden. Wenn sie sich auf einen Gattersatz stützen kann, der die Fehlerasymmetrie beibehält, ermöglicht ihre redundante Codierung Fehlerkorrektur und fehlertolerantes Quantencomputing mit Qubits mit asymmetrischen Fehlern."

"Dies ist eine grundlegende Veränderung", sagen Wolfgang Lechner und Magdalena Hauser, Co-CEOs von ParityQC. "Wir verbessern nicht nur die Gatter, sondern schlagen eine völlig neue Klasse von Gatter-Operationen vor, die die Realisierung von Fehlertoleranz zu einem greifbaren und nahen Ziel machen könnten, insbesondere für Architekturen wie die unsere, die bereits die Fehlerasymmetrie ausnutzen. Wir erwarten spannende und vielversprechende neue Designs für Quantencomputer, wenn wir diesen Weg weiterverfolgen." Für diese Technologie wurde eine internationale Patentanmeldung eingereicht, was ihre Neuartigkeit und ihr Potenzial unterstreicht.

Wesentliche Merkmale der Erfindung

• Ein neues Paradigma für das Gatter-Design
  Replacement-Type Quantum Gates brechen mit traditionellen Gattern, indem sie Kandidaten-Qubits und einen erweiterten Hilbert-Raum einführen, wodurch Berechnungen ohne physikalische Qubit-Rotationen möglich werden.

• Verbesserte Erhaltung der Fehlerasymmetrie
  Die Methode behält die intrinsische Fehlerasymmetrie von Hardwareplattformen annähernd bei, was die Verwendung ressourceneffizienter, asymmetrischer oder sogar klassischer Fehlerkorrekturcodes ermöglicht.

• Praktische Beispiele für reale Hardware
  Ersetzende X- und CNOT-Gatter werden sowohl für Rydberg-Atome als auch für Quantenpunkte vorgeschlagen und zeigen damit ihre vielseitige Anwendbarkeit auf den wichtigsten Quantenplattformen.

• Auf dem Weg zu skalierbarem, fehlertolerantem Quantencomputing
  Durch die Erhaltung der Fehlerasymmetrie und die Reduzierung des Fehlerkorrekturaufwands bieten Replacement-Type Quantum Gates einen neuen Weg zu realisierbarer Fehlertoleranz, insbesondere für Layouts wie die ParityQC-Architektur, die die Fehlerasymmetrie nativ nutzen.

Die Veröffentlichung „Replacement-type Quantum Gates“ von Florian Ginzel, Javad Kazemi, Valentin Torggler und Wolfgang Lechner steht nun zur Begutachtung durch Fachkollegen zur Verfügung, und der Vorabdruck kann hier abgerufen werden: https://arxiv.org/abs/2508.00437.

Über ParityQC

ParityQC ist das weltweit einzige Unternehmen für Quantenarchitektur. Der Schwerpunkt des Unternehmens liegt auf der Entwicklung von Blueprints und Betriebssystemen für Quantencomputer. ParityQC arbeitet mit Hardware-Partnern auf der ganzen Welt zusammen, um gemeinsam hochskalierbare Quantencomputer zu bauen, deren Anwendungsbereiche von der Lösung von Optimierungsproblemen auf NISQ-Geräten bis hin zu universellen, fehlerkorrigierten Quantencomputern reichen.

Kontakt:
Erika Bettega 
Communications – ParityQC 
e.bettega@parityqc.com