Bell-Zertifizierung für Quantencomputer

Ein vom Schweizerischen Nationalfond (SNF) unterstütztes Forschungsteam hat ein Protokoll entwickelt, das sicher­stellt, dass die Komponenten von Quanten­computern korrekt funktionieren. Diese Etappe ist zentral, wenn sich die Hoffnungen erfüllen sollen, die in diese Technologie gesetzt werden – insbesondere eine bisher un­erreichte Rechen­leistung.

Teams, die Quantencomputer entwickeln, sind nicht mehr nur an Hoch­schulen zu finden, sondern auch bei Google, IBM, Micro­soft oder etwa im Startup D-Wave. „Und die Forschung macht immer schneller Fort­schritte", freut sich Nicolas Sangouard, SNF-Förderungs­professor an der Universität Basel.

Der Forscher konnte mit seinem Team vor Kurzem zeigen, wie gewähr­leistet werden kann, dass diese Maschinen korrekt funktionieren. Denn sie sind zwar sehr leistungs­fähig, aber auch sehr empfindlich – einige arbeiten bei Temperaturen von 270 Grad unter null. Der Ansatz dieses Forschungs­teams ermöglicht es, alle Komponenten eines Quanten­computers zu zertifizieren, von den Kurz- und Lang­zeit­speichern über die Konverter, die zur Verbindung des Computers mit einem gesicherten Netz­werk für Quanten­kommunikation erforderlich sind, bis zu den Prozessoren, welche die Informationen um­wandeln. Das Protokoll bietet noch einen weiteren Vorteil: Es verwendet aus­schließlich Komponenten, die bereits in der Maschine vorhanden sind und benötigt somit keine zusätzlichen Geräte. Im Prinzip ist es in jeder Art von Quanten­computer anwendbar, unabhängig von der zugrunde liegenden Technologie.

„Gerade die außer­ordentliche Leistung der Quanten­rechner macht es schwierig, sie zu zertifizieren", erklärt Nicolas Sangouard. „Selbst die schnellsten Standard­computer sind zu langsam, um die von solchen Maschinen durch­geführten Berechnungen zu kontrollieren." Ein weiterer Punkt: Diese Rechner sollten schließlich in der Lage sein, in einem spezifischen Netz­werk für Quanten­kommunikation sicher mit­einander zu kommunizieren. „Deshalb ist es wichtig, sicher­zustellen, dass es kein schwaches Glied in der Kette gibt", bemerkt der Physiker.

Aus diesem Grund hat das Forscher­team eine vollständig quanten­mechanische Zertifizierungs­methode entwickelt, bei der die Komponenten der Maschine selber verwendet werden. „Inspiriert haben uns Bell-Tests, die ein Physiker entwickelt hat, der in den 1960er Jahren im CERN arbeitete", führt der Forscher weiter aus. „Normaler­weise stellen diese Tests sicher, dass sich Teilchen wirklich quanten­mechanisch verhalten. Wir haben sie so ab­geändert, dass sich damit über­prüfen lässt, ob die verschiedenen Einheiten eines Quanten­computers richtig arbeiten. Weil sich diese Tests grund­sätzlich in eine solche Maschine implementieren lassen, ist unser Verfahren sehr einfach um­zusetzen und erfordert keine sehr spezifischen Kompetenzen."

„Den Anstoß zum Projekt gab das Seminar eines Wissen­schaftlers, der an der Universität Basel eingeladen war", fährt Nicolas Sangouard fort. „Thema war eine spezifische Frage der Quanten­physik. Das Seminar hat uns aber dazu inspiriert, diese Frage so weiter­zudenken, dass daraus ein für Quanten­computer nützliches Verfahren ent­standen ist. Das ist für mich das beste Beispiel, dass Konferenzen nicht nur passives Lernen bieten, sondern auch groß­artige Gelegen­heiten, selber innovativ zu werden."

SNF / DE