28.07.2021

Unbestimmte Schaltsequenzen machen Quantencomputer noch schneller

Bleibt die Reihenfolge von Rechenoperationen offen, sind Quantenberechnungen deutlich effizienter. Das fand ein internationales Team mit Beteiligung von Quantenforscher/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in einer neuen Studie heraus.

Der Quantencomputer verspricht enorme Leistungssteigerungen gegenüber der Berechnungskapazitäten konventioneller Computer. © Unpslash.com
Der Quantencomputer verspricht enorme Leistungssteigerungen gegenüber der Berechnungskapazitäten konventioneller Computer. © Unsplash.com

In Quantencomputern können nicht nur Faktoren wie die Polarisierung eines Photons, sondern auch die Reihenfolge von Rechenoperationen in Überlagerungszuständen existieren. Ein internationales Forscher/innenteam mit Beteiligung von Wissenschaftler/innen des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) hat hier einen neuen Meilenstein gesetzt.

In klassischen Computern werden die grundlegenden Rechenoperationen, die ein Bit entweder umdrehen oder nicht, von sogenannten Gates getätigt. “In Quantencomputern gibt es auch Gates. Die sind viel interessanter, weil ein Qubit nicht nur zwei Zustände kennt, sondern auch beliebige Überlagerungen zwischen diesen”, sagt ÖAW-Quantenphysiker Mateus Araújo. Dabei können nicht nur die Eigenschaften eines Qbits, sondern auch die Reihenfolge der Gates in Überlagerungszuständen existieren. Solange die Überlagerung nicht durch eine ungestüme Messung zerstört wird, ist die Reihenfolge, in der die Gates auf das Qubit einwirken, schlicht unbestimmt.

Für zwei Gates A und B mit zwei möglichen Schaltsequenzen - AB oder BA - haben Physiker das im Labor bereits realisiert. Das Team mit Araújo hat konnte das nun mit einer im Fachmagazin "PRX Quantum" publizierten Studie übertreffen: Die Forscher/innen haben eine Schaltung mit vier Gates demonstriert, mit der Qubits in Überlagerungszustände aus vier Schaltsequenzen versetzt werden können. “Wir messen die Qubits so, dass die Überlagerungszustände erhalten bleiben. Wir nutzen dann genau diese Interferenz der verschiedenen Möglichkeiten, um Berechnungen anzustellen”, sagt Araújo.

Kabelsalat

Realisiert haben die Wissenschaftler/innen ihr Experiment mit Photonen und Glasfaserkabeln. Das Photon agiert als Qubit und die Überlagerungszustände der Gatereihenfolgen werden als Interferenz in der Polarisation sichtbar. “Hier kommen die praktischen Anwendungen ins Spiel. Interferenz ist die Basis für jegliche Quantenberechnung. Durch die Nutzung von Überlagerungszuständen von Gatereihenfolgen können bestimmte Berechnungen effizienter durchgeführt werden. Wenn eine fixe Gate-Reihenfolge ‚n²‘ Operationen für eine solche Aufgabe durchführen muss, schafft es die undefinierte Reihenfolge in ‚n‘ Schritten”, erläutert Araújo.

Eine beliebige Steigerung der Zahl überlagerter Gates ist allerdings nicht leicht zu realisieren. “Schon bei vier Gates mit vier möglichen Reihenfolgen ist der Kabelsalat im Labor enorm. Unsere Experimentalphysiker haben acht Monate gebraucht, um das System aufzubauen. Eine weitere Steigerung wäre sehr ressourcenintensiv”, sagt Araújo. In Zukunft könnten Forscher/innen auch versuchen, den Versuch auf anderer technologischer Basis umzusetzen. “In Innsbruck gibt es einen Vorschlag für ein Experiment mit Ionenfallen. Wir werden sehen, wie komplex die Experimente noch werden, theoretisch sind der Zahl der überlagerten Schaltsequenzen keine Grenzen gesetzt, ” so der Forscher.

Neuer Algorithmus

Den neuen Rekord für die Zahl der Überlagerungszustände der Gatereihenfolge haben die Quantenphysiker/innen der ÖAW vor allem einem theoretischen Durchbruch zu verdanken. “Wir haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der es einfacher macht, Überlagerungen mehrerer Gatereihenfolgen zu nutzen”, berichtet Araújo. Die Zahl der möglichen Schaltsequenzen wird nicht mehr von der Komplexität des Quantensystems begrenzt. “Unser Algorithmus erlaubt es, mit einem System der Dimension zwei - das entspricht einem gewöhnlichen Qubit - Überlagerungszustände aus beliebig vielen Gatereihenfolgen zu nutzen”, so der Quantenphysiker.

 

Auf einen Blick

Publikation

Márcio M. Taddei, Jaime Cariñe, Daniel Martínez, Tania García, Nayda Guerrero, Alastair A. Abbott, Mateus Araújo, Cyril Branciard, Esteban S. Gómez, Stephen P. Walborn, Leandro Aolita und Gustavo Lima, PRX Quantum, 2021
DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.010320

 


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