Gleichzeitig vorwärts und rückwärts rechnen

Eine der am vielversprechendsten Anwendungen von Quanten­technologie ist der Quantencomputer. Um eine nützliche Rechenoperation durchführen zu können, benötigt man eine ausreichende Menge an Quantengattern, den Grundbau­steinen eines Quanten­computers. Diese herzustellen ist allerdings schwierig. Üblicherweise werden bei den Quanten­rechnungen die Quantengatter in einer bestimmten Abfolge geschaltet: ein Gatter nach dem anderen. Wie neulich jedoch entdeckt wurde, erlaubt die Quantenmechanik auch eine „Überlagerung der Quantengatter“. Bei korrekter technischer Umsetzung bedeutet dies, dass ein Set von Quantengattern in allen möglichen Abfolgen gleichzeitig geschaltet werden kann. Über­raschenderweise lässt sich dieser Effekt dazu nutzen, um die Gesamtanzahl der Gatter, die für eine bestimmte Quanten­rechnung notwendig ist, zu reduzieren.

Kürzlich erkannte ein Team um Philip Walther, Sprecher der Gruppe Quanten­optik, Quanten­nano­physik und Quanten­information an der Universität Wien, dass man die Überlagerung der Abfolge der Quantengatter im Labor verwirklichen kann – eine Idee, die von den Kollegen um Caslav Brukner theoretisch entwickelt wurde. In einer Superposition der Abfolge von Quantengattern ist es grundsätzlich unmöglich zu wissen, ob eine Rechenoperation vor einer anderen oder umgekehrt stattfindet. Zwei Quantengatter A und B lassen sich also zur gleichen Zeit in beiden Abfolgen schalten. Die Physiker aus der Gruppe von Philip Walther entwickelten ein Experiment, in welchem die zwei Quantengatter in beiden Abfolgen auf Einzel­photonen angewandt wurden.

Wie die Ergebnisse ihres Experiments bestätigten, ist es aus Prinzip unmöglich herauszufinden, welches Gatter zuerst geschaltet wurde. „Tatsächlich konnten wir einen Quanten­algorithmus laufen lassen, der die Gatter effizienter als alle anderen bisher bekannten Algorithmen charakterisierte", so Lorenzo Procopio, Erstautor der neuen Studie. Aus einer einzelnen Messung am Photon prüften sie eine bestimmte Eigenschaft der beiden Quanten­gatter und bestätigten dadurch, dass die Gatter in beiden Abfolgen gleichzeitig geschaltet wurden. Sobald mehr Gatter zur Aufgabe hinzugefügt werden, wird die neue Methode im Vergleich zu bisherigen Techniken sogar noch effizienter.

Den Forschern gelang es, eine Superposition von Quanten­gattern erstmals im Labor umzusetzen. Zugleich wurde das Experiment erfolgreich dazu genutzt, eine neuartige Form des Quantenrechnens zu demonstrieren. Die Wissenschaftler konnten eine Rechen­aufgabe mit einer Effizienz lösen, die mit den alten Quanten­rechen­schemen unerreicht ist. Ihre Arbeit stößt damit die Tür für künftige Studien zu neuartigen Quanten­rechen­schemen auf.

U. Wien / DE