Quantenschaltkreise sind Kernkomponenten von Quantencomputern und anderen nächsten Generationstechnologien, aber Rauschen stellt eine erhebliche Einschränkung für ihre Leistung dar. Kürzlich veröffentlichte ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), der Freien Universität Berlin und der Universität Kopenhagen in der Zeitschrift „Nature Physics“ eine theoretische Studie, die detailliert analysiert, wie Rauschen den Betrieb von Quantenschaltkreisen beeinflusst.

Quantenschaltkreise lassen sich mit einer Dominokette vergleichen, bei der jeder Operationsschritt Informationen präzise weitergeben muss. Rauschen ähnelt einem leichten Wackeln der Dominosteine, das sich im Quantenschaltkreis aufsummiert und dazu führt, dass die Auswirkungen früher Operationen allmählich verblassen. Die Studie zeigt, dass in den meisten verrauschten Quantenschaltkreisen nur die letzten wenigen Schritte wirklich effektiv sind. Dies bedeutet, dass die Tiefe des Schaltkreises streng begrenzt ist und frühe Operationen „aus dem Gedächtnis verschwinden“.

Die Studie wurde gemeinsam von Armando Angrisani und Yihui Quek von der EPFL, Antonio Anna Mele von der Freien Universität Berlin und Daniel Stilck França von der Universität Kopenhagen geleitet. Sie analysierten eine große Familie von Quantenschaltkreisen, die aus einfachen Zwei-Qubit-Operationen bestehen, und verfolgten die Ausbreitung des Rauschens im Schaltkreis. Die Ergebnisse zeigen, dass Rauschen tiefe Schaltkreise wie flache Schaltkreise agieren lässt, wobei nur die letzten wenigen Schichten aktiv bleiben. Dies erklärt, warum verrauschte Schaltkreise dennoch für einfache Aufgaben angepasst werden können.

Die Forschung zu den Rauschgrenzen von Quantenschaltkreisen beleuchtet die praktischen Fähigkeiten aktueller Quantenmaschinen. Eine einfache Erhöhung der Anzahl von Schaltkreisschichten wird die Leistung wahrscheinlich nicht verbessern; Fortschritte hängen von besserer Rauschunterdrückung oder optimierten Architekturentwürfen ab. Die Studie warnt auch davor, verrauschte Schaltkreise als trainierbare, unscharfe Prozessoren zu betrachten, da dies zu falschen Erwartungen führen kann, da das Rauschen bereits den Großteil ihrer Fähigkeiten geschwächt hat.

Veröffentlichungsdetails: Autor: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne; Titel: „How noise limits today's quantum circuits“; erschienen in: „Nature Physics“ (2026); Zeitschrifteninfo: Nature Physics