Qualitätskontrolle für Quantensimulatoren

Die Entwicklung von Geräten, welche die Gesetze der Quanten­physik ausnutzen, hat in den letzten zwanzig Jahren beeindruckende Fort­schritte gemacht. Die neuen Quanten­techno­logien versprechen eine Reihe spannender An­wendungen, etwa in der Informations­verarbeitung oder für die sichere Ver­schlüsselung von Daten. Deshalb wird schon über ihre Kommer­zia­lisierung nach­gedacht. Doch ein wesent­liches Hindernis dafür, einen aufwendigen experimentellen Aufbau in ein käufliches Produkt zu überführen, ist der Mangel an praktischen Test­verfahren, die seine Funktionalität „zertifizieren“. Für photonische Quanten­geräte, in denen Licht­quanten die Träger und Übermittler der Quanten­information sind, hat jetzt ein internationales Team ein neues Zertifizierungs­verfahren vorgeschlagen.

Die von Jens Eisert und Martin Kliesch (FU Berlin), Leandro Aolita (Universidade Federal do Rio de Janeiro), sowie Christian Gogolin, Postdoc-Wissen­schaftler in der Abteilung Theorie von Ignacio Cirac am MPQ und Research Fellow am ICFO Barcelona, entwickelte Methode zeichnet sich durch Verläss­lichkeit und Einfach­heit aus – ein wichtiger Schritt auf dem Weg, quantenmechanisches Verhalten von Viel­teilchen­systemen kontrolliert nutzbar zu machen.

Quanten­simulation oder auch Quantenkryptographie haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ultimatives Ziel aller Anstrengungen auf diesem Gebiet ist ein „General Purpose Quantum Computer“ – ein Gerät also, das sich für die Lösung vieler verschiedenartiger Probleme eignet und dabei deutliche Geschwindigkeitsvorteile gegenüber klassischen Rechnern hat. Doch auf welchem Weg dieses Ziel erreicht werden kann, ist derzeit noch Gegenstand aktiver Forschung. Allerdings gibt es eine Art Zwischenstufe, die in greifbarer Nähe liegt: Quantensimulatoren. Mit Hilfe von Quanteneffekten können sie zumindest einige spezielle Probleme lösen, die sich mit klassischen Verfahren nicht effizient behandeln lassen. Sie sind also schnell, jedoch nicht universell einsetzbar.

Eine Plattform für die Implementierung von Quantensimulatoren ist die Quantenoptik, die die quantenmechanischen Eigenschaften von Photonen wie Verschränkung und Superposition ausnutzt. Aber wie kann man überprüfen, ob die Maschinen, die mit solchen mikroskopischen Teilchen arbeiten, wirklich so wie gewünscht funktionieren? „Gerade bei diesen nicht universellen Quantensimulatoren gestaltet sich die Zertifizierung sehr schwierig“, erklärt Christian Gogolin. „Denn die Möglichkeiten des Quantensimulators, Rechnungen auszuführen, sind begrenzt. Man kann also nicht einfach ein beliebiges Testprogramm laufen lassen, sondern braucht eines, das speziell auf die Fähigkeiten des Simulators zugeschnitten ist.“

Das Problem der Zertifizierung lässt sich als eine Art Spiel verstehen, bei dem ein mächtiger Spieler, nennen wir ihn Merlin, gegen einen weit weniger mächtigen Spieler, nennen wir ihn Arthur, antritt. Merlin behauptet, einen Quantensimulator zu besitzen, doch Arthur ist skeptisch. Er möchte überprüfen, ob Merlin tatsächlich einen Quantensimulator hat, mit dem er Aufgaben lösen kann, die seine (Arthurs) eigene Fähigkeiten übersteigen. Ziel ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie sich Arthur – trotz seinen begrenzten Möglichkeiten – davon überzeugen kann, dass Merlin einen funktionierenden Quantensimulator besitzt.

Die Wissenschaftler schlagen jetzt einen Test vor, mit dem sich genau dies bei einer Reihe verschiedener optischer Quantensimulatoren erreichen lässt. Der skeptische Arthur muss dafür in der Lage sein, Messungen an einzelnen Photonen durchzuführen. Darüber hinaus benötigt er einen klassischen Computer, der die Lösungen von Merlins Quantensimulator überprüft und sicherstellt, dass dieser korrekt funktioniert. Nach einer berechenbaren Anzahl von „Spielrunden“ kann Arthur zum Beispiel zu 99 Prozent sicher sein, dass Merlin einen gewählten Ziel­zustand bis auf eine fest vorgegebene Abweichung genau präparieren kann.

Experi­mentelle Techniken ermöglichen mittler­weile eine erstaunliche Viel­falt bei der Nutzung von Quanten­effekten. Umso wichtiger wird es nachzuweisen, dass diese Methoden auch den an sie gestellten Anfor­derungen genügen. „Bislang wurde wesentlich mehr Auf­wand in die Realisierung von Quanten­techniken als in ihre Zertifizierung gesteckt“, führt Jens Eisert aus. „Jetzt ist man an einem Punkt angekommen, an dem dieser Eng­pass weitere experimentelle Fort­schritte behindert. Unsere hier vorgeschlagene Methode ist praktisch und verlässlich. Sie ist zwar auf optische Implemen­tierungen zu­geschnitten, lässt sich aber im Prinzip auch auf nicht-photonische Quanten­techno­logien anwenden und liefert damit einen Beitrag, das Problem der Zertifizierung allgemein anzugehen.“

MPQ / OD