01.02.2019

Schneller als der Quantencomputer erlaubt?

Quantenforscher von ÖAW und Universität Wien haben gezeigt, dass ein Quantencomputer unter anderen Naturgesetzen auch nicht leistungsfähiger wäre. Die Ergebnisse der Untersuchung erschienen kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Quantum Information.

© Marc Sendra Martorell/unsplash

Heutzutage sind Computer aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Was einst ein entfernter Zukunftstraum war, trägt heutzutage jeder in der Tasche. Dennoch sind Computer ganz normale Objekte der Physik – und wie Quanten-Computing gezeigt hat, können neue physikalische Erkenntnisse manchmal auch zu neuen Arten von Computern führen.

Die Quantenphysiker Markus Müller vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Marius Krumm von der Universität Wien, haben sich der Frage angenommen, welche Arten von Computern denkbar wären, wenn das Verständnis von Physik anders wäre als heute gedacht. Theoretische Eigenschaften solcher "Science-Fiction-Computer" können viel über das Quanten-Computing verraten.

Bits und Qubits
Die wesentlichen Bestandteile von Computern sind die Bits: Alternativen von “ja” oder “nein”, vernetzt in einem Schaltkreis. In einem gewöhnlichen Laptop ist jedes Bit entweder eine 0 oder eine 1. Quantencomputer dagegen arbeiten mit Quantenbits: diese kann man sich als Punkte auf einer drei-dimensionalen Kugel vorstellen: Der Nordpol ist die 0 und der Südpol die 1. Ein “Qubit” kann auch jeden Platz dazwischen einnehmen (zum Beispiel auf dem Äquator) – die sogenannten Superpositionszustände.

In ihrer aktuellen Studie betrachten Krumm und Müller Bits ebenfalls als Punkte auf einer Kugel, aber im Gegensatz zum Quantenbit muss diese Kugel nicht drei-dimensional sein. Vor einigen Jahren hatten zwei Quantenphysiker von Universität Wien und ÖAW, Borivoje Dakić and Ćaslav Brukner, die Vermutung aufgestellt, dass diese Kugeln alternative Physik in Welten mit mehr als drei räumlichen Dimensionen beschreiben. Um diese Idee zu testen entwickelten Krumm und Müller zwei Annahmen, wie diese Bits zusammengeschaltet sein können: Erstens, dass sie mit reversiblen Gattern wie AND oder NOT verarbeitet werden. Zweitens, dass sie eine intuitive Eigenschaft von herkömmlichen und Quantencomputern erfüllen: Kennt man die einzelnen Bits und ihre Korrelationen, so kennt man alles, was es über den Schaltkreis zu wissen gibt.
    
Das überraschende Ergebnis: Obwohl ihre Bits komplizierter sind, hätten diese Computer extrem eingeschränkte Fähigkeiten. Sie wären keinesfalls schneller als Quantencomputer und könnten auch keine gewöhnlichen Algorithmen ausführen. In diesem Sinn sind drei Dimensionen und das Quantenbit speziell: Frei nach einer Wortschöpfung des Computerwissenschaftlers Scott Aaronson sind sie eine "Insel im Raum der Theorien".

 

Publikation:
Marius Krumm & Markus P. Müller: Quantum computation is the unique reversible circuit model for which bits are balls, Nature Quantum Information (2019),
DOI: 10.1038/s41534-018-0123-x
 

INSTITUT FÜR QUANTENOPTIK UND QUANTENINFORMATION WIEN DER ÖAW