Quantencomputer im Kollektiv testen

Mit ihrer rasanten Entwicklung kratzen Quanten­computer schon heute an den Grenzen unserer besten Super­computer. Mit ihrer hohen Rechenleistung sind diese Geräte aber auch sehr anfällig für Umwelt­einflüsse, welche zu Fehlern in der Berechnung führen können. Besonders problematisch sind solche Fehler, wenn die Berechnungen so komplex werden, dass sie nicht mehr auf klassischen Computern überprüft werden können. „Um Quanten­computer dennoch verlässlich einsetzen zu können, benötigt es eine Methode, mit der das Ergebnis der Berechnungen überprüft werden kann, ohne dass die richtige Antwort bekannt ist“, sagt Chiara Greganti von der Universität Wien.

Ein Team von Physikern aus Österreich, Singapur und Großbritannien löst dieses Problem, indem sie Quanten­computer gegeneinander antreten lassen. „Wir lassen mehrere Quantencomputer zufällig aussehende Berechnungen durchführen“, erklärt Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck. „Was die Geräte allerdings nicht wissen ist, dass es eine versteckte Verbindung zwischen diesen Berechnungen gibt.“

Die Forscher verwenden dabei komplexe verschränkte Quantenzustände, aus denen sich viele unterschiedliche Berechnungen ableiten lassen. „Obwohl die Ergebnisse jedes einzelnen Quanten­computers zufällig sind, müssen sie wegen der versteckten Verbindung in bestimmten Aspekten immer übereinstimmen“, erklärt Martin Ringbauer. Stimmen die Ergebnisse überein, so haben die Computer das Richtige berechnet.

Das internationale Forschungsteam demonstrierte die neue Methode an fünf aktuellen, auf unterschiedlichen technologischen Plattformen basierenden Quantencomputern, darunter Geräte an den Universitäten Innsbruck und Wien. Dies zeigt, dass Quanten­computer mit beliebiger Hardware gegeneinander getestet werden können. Stimmen die Ergebnisse der unterschiedlichen Berechnungen auf den Computern überein, so haben sie auch das Richtige berechnet.

Ein wichtiges Merkmal dieser neuen Methode ist, dass nicht das gesamte Ergebnis des Quanten­computers ausgelesen werden muss, was sehr zeitaufwändig sein kann. „Es genügt zu überprüfen, wie oft sich die beiden Geräte einig sind, was auch noch für sehr große Quantencomputer machbar ist“, sagt Tommaso Demarie von Entropica Labs in Singapur. Dadurch kann diese einfache Methode direkt auf die Vielzahl aktueller und zukünftiger Quanten­computer angewendet werden.

U. Wien / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Greganti et al.: Cross-verification of independent quantum devices. Phys. Rev. X 11, 031049 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031049
• Quantum Optics and Spectroscopy (R. Blatt), Universität Wien

Weitere Beiträge

• R. Blatt, Rechnen mit Quanten (Physik Journal, August/September 2012, S. 35) PDF
• K. Sonnabend, Quantencomputer zum Ersten / M. Pfalz, Quantencomputer zum Zweiten (Physik Journal, März 2020, S. 7)