Demonstration of high-fidelity entangled logical qubits using transmons

Fragile Quantenverbindungen am Leben erhalten

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die heutige Supercomputer überfordern, doch ihre Bausteine — Qubits — sind berüchtigt empfindlich. Schon kleinste Störungen aus der Umgebung können die empfindlichen Verknüpfungen, die Verschränkung, durcheinanderbringen, die Quantenrechner leistungsfähig machen. Diese Arbeit zeigt eine Methode, Paare kodierter, sogenannter „logischer“ Qubits deutlich länger verschränkt zu halten, als die rohe Hardware erlauben würde, indem zwei Schutzstrategien geschickt kombiniert und auf IBMs supraleitenden Transmon-Prozessoren getestet werden.

Warum üblicher Schutz nicht ausreicht

Konventionelle Quantenfehlerschutzverfahren verteilen Informationen über mehrere physische Qubits, sodass kleine Fehler erkannt und theoretisch korrigiert werden können. Doch jeder Fehlerkorrekturcode hat blinde Flecken: Manche Fehlerbilder sehen wie zulässige Operationen auf den kodierten Daten aus und schlüpfen als unentdeckbare „logische Fehler“ durch. Wenn Quantenprozessoren wachsen, können unerwünschte Wechselwirkungen zwischen benachbarten Qubits — besonders eine Art Zweiqubit‑Störung, die als Crosstalk bezeichnet wird — genau solche gefährlichen Muster erzeugen. Die übliche Abhilfe besteht darin, Codes größer und komplexer zu machen, was schnell teuer wird, sowohl beim Hardwarebedarf als auch bei der Kontrollkomplexität.

Beide Schutzschilde vereint

Die Autorinnen und Autoren schlagen eine hybride Strategie vor, die den Code kompakt hält und gleichzeitig seine blinden Flecken stark reduziert. Sie beginnen mit einem kompakten vier‑Qubit‑Fehlerdetektionscode, oft als [[4,2,2]] geschrieben, der zwei logische Qubits in vier physische kodiert. Darüber legen sie dynamische Dekopplung, eine Technik, bei der schnelle, wohlgestaltete Steuerungsimpulse auf die Qubits angewendet werden, um die Effekte von Rauschen zeitlich zu mitteln und zu unterdrücken. Der entscheidende Dreh ist, dass diese Pulse nicht beliebig sind: Sie werden aus den Symmetrieoperationen des Codes ausgewählt, sogenannten „Normalizer“-Elementen. Indem man mit diesen code‑bewussten Operationen pulst — ein Ansatz, den die Autorinnen und Autoren normalizer dynamical decoupling nennen — kann man genau jene Störungen mitteln, die andernfalls als logische Fehler erscheinen würden, ohne den kodierten Unterraum zu verlassen.

Die Idee auf echter Hardware testen

Um zu prüfen, ob dieses Schema Informationen wirklich schützt, konzentrierte sich das Team auf eine der empfindlichsten Ressourcen der Quantenverarbeitung: verschränkte Bell‑Paare. Sie verwendeten den vier‑Qubit‑Code, um zwei logische Qubits zu kodieren und in verschränkten Bell‑Zuständen vorzubereiten, und ließen das System auf IBMs 127‑Qubit‑Transmon‑Chips ruhen. Durch bewusstes Dekodieren in verschiedene Bell‑Zustände und Auslesen aller vier physischen Qubits konnten sie feststellen, ob spezifische logische Fehler aufgetreten waren, und gleichzeitig gewöhnliche physische Fehler separat nachverfolgen. Sie fügten außerdem in die Ruhephasen der Kodierungs‑ und Dekodierungszircuitry bekannte physische Sequenzen der dynamischen Dekopplung ein, sodass weitere Verbesserungen eindeutig den neuen, auf logischer Ebene angewendeten Pulsen zugeschrieben werden konnten. Dieses sorgfältige Design erlaubte es ihnen, Schutz einzelner Qubits von echter Unterdrückung logischer Fehler im Code zu unterscheiden.

Wie viel zusätzlichen Schutz erhalten wir?

Auf Geräten, auf denen benachbarte Transmons sich ständig gegenseitig beeinflussen, zerstörte Crosstalk ungeschützte logische Bell‑Paare schnell: ihre Treue, ein Maß dafür, wie nah der Endzustand am Ziel‑Verschränkungszustand ist, fiel innerhalb von etwa 10 Mikrosekunden auf rund 20 % und zeigte Oszillationen, die von diesen unerwünschten Wechselwirkungen getrieben wurden. Physische dynamische Dekopplung allein verbesserte die Lage, hinterließ aber weiterhin erhebliche logische Fehler. Als die Forschenden ihre code‑bewussten Pulsfolgen aktivierten, abgestimmt darauf, die dominanten Fehlerkanäle zu canceln und robust gegenüber Steuerungsfehlern zu sein, schnitten die logischen Bell‑Paare dramatisch besser ab. Über Speicherzeiten bis zu 55 Mikrosekunden hielt die beste Variante des Schemas durchschnittliche kodierte Bell‑Fidelities im Bereich von 90–95 %, sobald zusätzlich die eingebaute Fehlerdetektion des Codes genutzt wurde, um Durchläufe mit offensichtlichen physischen Fehlern zu verwerfen, und blieb selbst ohne Selektion der besten Qubit‑Sets über 80 %. Im Gegensatz dazu fiel das beste unkodierte Bell‑Paar auf derselben Hardware, selbst mit starker physischer dynamischer Dekopplung, über denselben Zeitraum auf etwa 70 % Treue ab.

Jenseits des Breakeven‑Punkts

Die zentrale Botschaft ist, dass ein verschränktes Paar logischer Qubits, geschützt durch diese Kombination aus Fehlerdetektion und normalizer dynamical decoupling, besser überdauert als jedes vergleichbare ungeschützte oder nur physisch geschützte Paar — was die Autorinnen und Autoren als jenseits‑des‑Breakeven‑Leistung bezeichnen. Die Methode verhindert nicht nur logische Fehler, sondern senkt auch die Rate detektierbarer physischer Fehler, wodurch die Kosten für das Wegwerfen fehlerhafter Läufe sinken. Da die Pulsfolgen nur von einer kleinen Menge an Codesymmetrien abhängen und nicht von der Codegröße, kann der Ansatz prinzipiell auf größere Architekturen skaliert werden, ohne in Komplexität zu explodieren. Diese Arbeit bietet somit ein praxisnahes Rezept, fragile Quantenverbindungen lange genug intakt zu halten, damit sie in realen Algorithmen und größeren fehlertoleranten Maschinen nützlich sind.

Zitation: Vezvaee, A., Tripathi, V., Morford-Oberst, M. et al. Demonstration of high-fidelity entangled logical qubits using transmons. Nat Commun 17, 3281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70011-3

Schlüsselwörter: Fehlerkorrektur in Quantencomputern, dynamische Dekopplung, logische Qubits, supraleitende Transmons, Verschränkung