Ein Qualitätstests für Quantencomputer

Da Quantencomputer auf anderen physi­ka­lischen Gesetzen basieren als herkömm­liche Rechner, sind sie stör­anfälliger. Ein inter­natio­nales und inter­diszi­pli­näres Forschungs­team hat jetzt heraus­ge­funden, wie sich solche Quantencomputer in ihrer Qualität testen lassen. Bei dem Qualitätstests für Quantencomputer kommen Methoden der Physik, der Informatik und der Mathematik zum Tragen.

„Quantencomputer arbeiten auf Basis quanten­mechanischer physi­ka­lischer Gesetze, in denen man einzelne Atome oder Ionen als Rechen­ein­heiten verwendet, also kontrol­lierte, winzige physikalische Systeme“, erläutert Quantenphysiker Jens Eisert von der FU Berlin. „Das Außer­ge­wöhnliche an den Zukunfts­rechnern ist, dass auf dieser Ebene die Natur extrem und radikal anders funktioniert als wir das in unserer Alltags­erfahrung der Welt, die wir wahrnehmen, kennen.“

Quantencomputer haben aber auch einen Schwachpunkt, so der Forscher weiter: „Sie sind wahre Mimosen, was Stör­einflüsse der Umgebung betrifft. Ist der Quantencomputer nicht hinreichend von der Umgebung abgeschirmt, verschwinden die Eigenschaften, die für seine rechnerische Mächtigkeit verantwortlich ist. Die Quantenvorteile, wie man sagt, verschwinden. Kurz: Dann funktioniert er nicht.“

Für die Forschung ergibt sich daher die wichtige Frage: Wie kann man überhaupt wissen, ob eine Quanten­schalt­kreis richtig funktioniert hat? Es werden also Test­ver­fahren benötigt, die zeigen, zu welcher Güte ein Quanten­schalt­kreis implementiert wurde. „Ohne solche Methoden erhält man in der Quantenrechnung zwar Ergebnisse, aber auf sie ist kein Verlass“, betont Eisert. Er und seine Kollegen von dem Forschungsteam haben jetzt heraus­ge­funden, wie sich solche Quantencomputer in ihrer Qualität testen lassen.

„Die Methode ist ebenso einfach wie verblüffend: Man führt bestimmte ganz zufällige Quanten­schalt­kreise durch und liest dann die elementaren Teile des Quantencomputers, also die Qubits, aus“, erklärt Eisert weiter. Die Daten, die man so erhält, lassen eine ganze Reihe an diagnos­tischer Information zu. Aus denselben Daten kann man lernen, wie gut elementare Gatter, also Rechen­einheiten, arbeiten, welche Stör­einflüsse vorliegen oder ob bestimmte Teile ungewollt miteinander wechsel­wirken.

Die Forschung verspricht sich mithilfe dieser Methode des Verifizierens, zukünftig Quantenrechner zu echten techno­logischen Geräten zu gestalten, die tatsächlich wirt­schaft­lich und wissen­schaftlich nutzbar sind.

FU Berlin / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Helsen et al.: Shadow estimation of gate-set properties from random sequences, Nat. Commun. 14, 5039 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-39382-9
• AG Eisert, Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Dept. Physics, Freie Universität Berlin