Mimosen der Quantenwelt

Hoch­empfind­lich: wel­che Gren­zen ha­ben Quan­ten­com­pu­ter, wenn man sie nicht feh­ler­kor­ri­giert?

Die Bundesregierung hat Quantencomputer – gleich nach der künstlichen Intelligenz – ganz oben auf ihre Hightech-Agenda gesetzt und investiert Milliarden in ihre Entwicklung. Denn die neuartigen Rechner versprechen, Probleme zu lösen, an denen selbst die leistungsfähigsten klassischen Computer scheitern, wie etwa dem Faktorisieren großer Zahlen. Doch so groß das Potenzial ist, so fragil ist die Technologie der Quantencomputer. Ein internationales Forschungsteam mit dem Berliner Quantenphysiker Jens Eisert zeigt in einer gerade erschienenen Arbeit, welche Grenzen Quantencomputer haben – wenn man sie nicht fehlerkorrigiert. Die Erkenntnisse könnten bedeutsam für strategische Entscheidungen für Politik und Quantenindustrie sein.

Ein internationales Team unter Leitung von FU-Quantenphysiker Jens Eisert forscht daran, die Quantencomputer der Zukunft robuster zu machen.

Quelle: Google Quantum AI

Im Unterschied zu herkömmlichen Computern arbeiten Quantencomputer mit sogenannten Qubits. Diese folgen den Gesetzen der Quantenphysik und können per Superposition mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen sowie miteinander verschränkt sein. Dadurch eröffnen sich völlig neue Rechenmöglichkeiten – etwa in der Materialforschung, der Chemie, bei Optimierungsproblemen oder im maschinellen Lernen. Die Entwicklung schreitet rasant voran: Erste Systeme mit über 1.000 Qubits sind bereits Realität. Für viele gilt das als Durchbruch.

„Doch Quantencomputer haben eine entscheidende Schwäche: Sie reagieren äußerst empfindlich auf kleinste Störungen aus ihrer Umgebung. Schon minimale Einflüsse können die fragile Quanteninformation zerstören – und damit den Rechenvorteil zunichtemachen“, sagt Eisert und fügt hinzu: „Quantencomputer sind gewissermaßen die Mimosen unter den Rechnern.“

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Kriterien für die Realisierung

Die Forschung verfolgt derzeit daher zwei Strategien zum Umgang mit der extremen Empfindlichkeit der Quantencomputer: Einerseits eine Fehlerkorrektur, bei der zusätzliche Qubits eingesetzt werden, um Fehler auszugleichen. Dieses Vorgehen ist technisch anspruchsvoll und erfordert erheblich größere Systeme. Oder andererseits ein Arbeiten ohne Korrektur, bei dem versucht wird, mit den fehleranfälligen Systemen so effizient wie möglich zu rechnen und ihre Grenzen auszuloten.

In ihrer neuen Arbeit kommt das Forschungsteam nun zu dem Ergebnis: Unter sehr allgemeinen Bedingungen können Quantenrechner ohne Fehlerkorrektur nur begrenzt komplexe Berechnungen durchführen. Entscheidend ist die Qualität der einzelnen Rechenoperationen, die Gatterfidelität. Diese sagt aus, wie genau die antizipierte Operation von dem Quantengatter, analog zu einem logischen Gatter bei herkömmlichen Computern, durchgeführt wurde. Ist diese hoch genug, lassen sich trotz der Einschränkungen durchaus große und praktisch relevante Berechnungen durchführen.

„Die Studie liefert damit nicht nur eine theoretische Grenze, sondern auch eine konkrete Orientierung für die Entwicklung von Quantencomputern“, betont Eisert, unter dessen Federführung die Arbeit entstanden ist. Beteiligt waren zudem Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Sorbonne Université in Paris, der University of Chicago, vom Fraunhofer-Heinrich-Hertz-Institut, der Universität Lyon, des Helmholtz-Zentrums Berlin und des Massachusetts Institute of Technology.

Die hochkomplexe wissenschaftliche Arbeit bewegt sich an der Schnittstelle von theoretischer Physik und angewandter Mathematik. Sie unterstreicht Eisert zufolge auch die Bedeutung des Standorts Berlin. Initiativen wie Berlin Quantum und die Berlin University Alliance zeigten, dass Quantentechnologien in der Hauptstadt zu den zentralen Zukunftsthemen gehören. [FU Berlin / dre]