Kasseler Forscherteam macht Entwicklung des Quantencomputers realistischer

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 der Entwicklung sogenannter Quantencomputer 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 auch mit der heutigen Technik bisher nicht zu bewältigende Rechenprobleme endlich gelöst werden.

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 dies: 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 3 QBits sind aktuell beispielsweise 2 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 müssen zudem auch wesentlich mehr Stichproben durchgeführt werden, so dass die Überprüfung von nur 8 QBits bereits eine Messzeit von einem Jahr erfordert.

In ihrer in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Studie zeigen Daniel Reich, Dr. Giulia Gualdi und Prof. Dr. Koch nun, wie solche Operationen mit minimalen Ressourcen überprüft werden können. „Die Ressourcen sind um einen bedeutenden Faktor kleiner als bisher angenommen“, kommentiert die Leiterin der Forschungsgruppe Quantendynamik und -kontrolle an der Universität Kassel das Ergebnis. Durch eine geschickte Ausnutzung der mathematischen Eigenschaften von Quantenoperationen hat das Kasseler Forscherteam einen Weg aufgezeigt, um die benötigte Messzeit deutlich zu reduzieren. Für die Überprüfung von 8 QBits seien demnach in Zukunft nur noch drei und nicht mehr hunderte von Tagen erforderlich.

„Wir haben gezeigt, wie man am besten, d.h. am effizientesten überprüfen kann, ob die Bauteile eines Quantencomputers so funktionieren, wie sie sollen“, erklärt die Forscherin weiter. Damit könnten Designerinnen und Designer von Quantencomputern jetzt entscheiden, welches Protokoll für ihre konkrete Realisierung eines solchen Computers das geeignetste ist. Das rückt die Nutzung von Quantencomputern ein Stück näher. Die Ergebnisse der Kasseler Forschergruppe sollen bereits in Kürze im Rahmen einer praktischen Studie erprobt werden.

Kontakt:
Prof. Dr. Christiane Koch
Universität Kassel
FB 10 – Mathematik und Naturwissenschaften
Institut für Physik
Forschungsgruppe: Theoretische Physik III / Quantendynamik und -kontrolle
Tel. 0561 804-4407/4785 (Sekretariat)
E-Mail: christiane.koch@uni-kassel.de
Veröffentlichung: Phys. Rev. Lett. 111, 200401 (2013).