Quantenrechnen in weniger Schritten
Von Kasseler Physikern aufgestellte Kriterien erleichtern die Entwicklung des Quantencomputers.
Fließt Strom oder fließt kein Strom? Bislang können die Register herkömmlicher Bit-Computer nur zwischen diesen beiden Zuständen unterscheiden. Entsprechend lange dauern damit komplizierte Operationen, wie etwa die Entschlüsselung einer codierten Nachricht. Informatiker erhoffen sich daher von Quantencomputern eine exponentielle Beschleunigung solcher Prozesse. Dies ist möglich, weil die QBits eines Quantencomputers gleichzeitig mehrere Zustände annehmen, die es ermöglichen, unterschiedliche logische Operationen parallel auszuführen. Damit könnten sie auch mit der heutigen Technik bisher nicht zu bewältigende Rechenprobleme endlich lösen.
Während die ersten Quantencomputer somit zwar schnell rechnen können, dauert die Überprüfung der Richtigkeit der Quantenoperationen bis dato noch sehr lange. Dies liegt vor allem daran, dass das Ein- und Auslesen der Informationen klassisch erfolgen muss. Im Klartext heißt das: Je mehr QBits ein Quantenregister hat, desto mühsamer und zeitaufwändiger ist es, dessen Zustand nach einer logischen Operation zu bestimmen. Mit den derzeitigen Protokollen dauert es bereits bei wenigen QBits mehrere Tage, um überhaupt herauszufinden, ob eine Quantenoperation korrekt ausgeführt worden ist. Für die Überprüfung von drei QBits sind aktuell beispielsweise zwei Milliarden Messungen erforderlich. Selbst wenn man annimmt, dass jede dieser Messungen nur eine Mikrosekunde dauert, muss hier also schon eine Stunde gemessen werden. Mit zunehmender QBit-Zahl sind zudem auch wesentlich mehr Stichproben nötig, die Überprüfung von nur acht QBits erfordert deshalb bereits eine Messzeit von einem Jahr.
Mit ihrer Arbeit zeigen Daniel Reich, Giulia Gualdi und Christiane Koch nun, wie sich solche Operationen mit minimalen Ressourcen überprüfen lassen. „Die Ressourcen sind um einen bedeutenden Faktor kleiner als bisher angenommen“, kommentiert Koch. Durch eine geschickte Ausnutzung der mathematischen Eigenschaften von Quantenoperationen haben die Kasseler einen Weg aufgezeigt, um die benötigte Messzeit deutlich zu reduzieren. Für die Überprüfung von acht QBits seien demnach in Zukunft nur noch drei und nicht mehr hunderte von Tagen erforderlich. „Wir haben gezeigt, wie man am besten, das heißt am effizientesten überprüfen kann, ob die Bauteile eines Quantencomputers so funktionieren, wie sie sollen“, erklärt die Forscherin weiter. Damit könnten Designer von Quantencomputern jetzt entscheiden, welches Protokoll für ihre konkrete Realisierung eines solchen Geräts das geeignetste ist. Das rückt die Nutzung von Quantencomputern ein Stück näher. Die Ergebnisse sollen bereits in Kürze im Rahmen einer praktischen Studie erprobt werden.
U. Kassel / OD
