Einführung

Die Welt nähert sich der Ära des Quantenvorteils. Quantenvorteil bezeichnet hier die Ausführung einer Aufgabe auf einem hybriden Quanten-klassischen System, sodass:

• die Korrektheit der Ausgabe rigoros verifiziert werden kann.
• die Berechnung einen nachweisbaren Quantenvorsprung zeigt — und dabei eine überlegene Effizienz, Kosteneffizienz oder Genauigkeit im Vergleich zu rein klassischen Methoden bietet.

Um in absehbarer Zeit einen Quantenvorteil zu erreichen, müssen wir jedes verfügbare Werkzeug nutzen, um das Beste aus der heutigen Quantenhardware herauszuholen. In der Praxis bedeutet das, sich Rauschen und Fehlern direkt zu stellen. Wir verfügen über ein stetig wachsendes Instrumentarium, um diese Herausforderungen zu bewältigen, darunter Fehlerunterdrückung, Fehlerminderung, Fehlererkennung und Fehlerkorrektur. Diese Konzepte lassen sich mitunter schwer voneinander abgrenzen, unter anderem weil sie auf dem Weg zum fehlertoleranten Quantencomputing entlang eines Kontinuums liegen. Grob gesagt:

• Fehlerunterdrückung zielt darauf ab, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass bestimmte Fehler überhaupt erst auftreten.
• Fehlerminderung versucht, die Auswirkung bereits aufgetretener Fehler auf das Endergebnis zu reduzieren.
• Fehlererkennung und -korrektur kodieren Quanteninformation redundant über mehrere Qubits hinweg, sodass Fehler durch Konsistenzprüfungen erkannt und korrigiert werden können.

Manche Techniken verwischen diese Grenzen. Wenn beispielsweise Fehler auf Circuit-Ebene erkannt werden können und ungültige Shots verworfen oder in der Nachbearbeitung probabilistisch wiederhergestellt werden, lässt sich dies als eine begrenzte Form der Fehlerkorrektur betrachten, auch wenn ihr die vollständige fehlertolerante Struktur quantenfehlerkorrigierender Codes fehlt.

Pauli-Twirling, ein weiteres Beispiel, formt Rauschen so um, dass es sich wie ein stochastischer Pauli-Prozess verhält. Dies kann den Aufbau kohärenter Fehler verlangsamen und andere Techniken, wie etwa Fehlerminderung, effektiver machen. Für sich genommen lässt es sich jedoch besser als eine Form der Rauschanpassung beschreiben, statt streng als Unterdrückung oder Minderung.

Diese Werkzeuge schließen sich nicht gegenseitig aus. Effektive Workflows kombinieren oft mehrere Ansätze. Unterdrückung und Minderung sind heute breit anwendbar, während Fehlererkennung in manchen Workflows genutzt werden kann, um fehlerhafte Ergebnisse zu verwerfen oder korrekte Zustände probabilistisch wiederherzustellen. Unterdessen rücken zunehmend fortgeschrittenere Formen der Fehlerkorrektur stetig in greifbare Nähe. Durch die Nutzung und Kombination dieser Methoden können wir einen durchgehenden Weg zum fehlertoleranten Quantencomputing aufbauen. Für einen unkomplizierten Ansatz zur Nutzung mehrerer Fehlerminderungstechniken ohne viel theoretischen Hintergrund siehe dieses Tutorial auf der IBM Quantum® Platform.

In diesem Kurs, Tools for Quantum Advantage, werden wir einige der vielversprechendsten Methoden zur Bewältigung von Quantenrauschen und -fehlern untersuchen. Unser Fokus liegt auf der Erkundung praktischer Anwendungen mit Qiskit, wobei wir genügend theoretischen Hintergrund liefern, damit du bestimmen kannst, welche Techniken für deinen Anwendungsfall geeignet sind. Wir werden außerdem hervorheben, welche Methoden sich effektiv innerhalb eines einzelnen Workflows kombinieren lassen — und welche in der Regel nicht.

Begleite uns, während wir die Werkzeuge erkunden, die dazu beitragen, den Quantenvorteil in greifbare Nähe zu rücken.