Auf dem Weg zum schnelleren Quantencomputer?

Ein Team von PhysikerInnen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften um Philip Walther und Caslav Brukner demonstrieren ein neues Quantenrechenschema, bei dem verschiedene Reihenfolgen von Rechenoperationen gleichzeitig prozessiert werden. Die WissenschafterInnen nutzten diesen Effekt, um eine Aufgabe effizienter als mit einem Standard-Quantencomputer zu lösen. Ihre Ideen könnten die Grundlage für eine neue Art des Quantenrechnens mit dem Potenzial für noch schnellere Quantencomputer bilden. Ihre Ergebnisse wurden in "Nature Communications" veröffentlicht.

Seit ihrer frühen Entwicklung hat die Quantenmechanik unserer natürlichen Denkweise getrotzt und PhysikerInnen dazu gezwungen, mit sonderbaren Ideen zurechtzukommen. Obwohl sie schwierig zu begreifen sein mögen, können Quantenphänomene im Experiment beobachtet werden. Zudem haben WissenschafterInnen in den letzten Jahrzehnten gezeigt, dass diese bizarren Quanteneffekte für viele, erstaunlich bedeutungsvolle Anwendungen genutzt werden können: von ultra-sicherer Datenübertragung zu super-schnellen Computern und Simulatoren von komplexen Quantensystemen.  

Eine der am vielversprechendsten Anwendungen von Quantentechnologie ist der Quantencomputer. Um eine nützliche Rechenoperation durchführen zu können, benötigt man eine ausreichende Menge an Quantengattern, den Grundbausteinen eines Quantencomputers. Diese herzustellen ist allerdings schwierig. Üblicherweise werden bei den Quantenrechnungen die Quantengatter in einer bestimmten Abfolge geschaltet: ein Gatter nach dem anderen. Neulich wurde jedoch entdeckt, dass die Quantenmechanik eine "Überlagerung der Quantengatter" erlaubt. Bei korrekter technischer Umsetzung bedeutet dies, dass ein Set von Quantengattern in allen möglichen Abfolgen gleichzeitig geschaltet werden kann. Überraschenderweise kann dieser Effekt dazu benutzt werden, um die Gesamtanzahl der Gatter, die für eine bestimmte Quantenrechnung notwendig ist, zu reduzieren.

Alle Abfolgen gleichzeitig
Kürzlich erkannte ein Team um Philip Walther, Gruppensprecher der Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation, dass die Überlagerung der Abfolge der Quantengatter im Labor verwirklicht werden kann – eine Idee, die von ihren KollegInnen um Caslav Brukner theoretisch entwickelt wurde. In einer Superposition der Abfolge von Quantengattern ist es grundsätzlich unmöglich zu wissen, ob eine Rechenoperation vor einer anderen oder umgekehrt stattfindet. Das bedeutet, dass zwei Quantengatter A und B zur gleichen Zeit in beiden Abfolgen geschaltet werden können. In anderen Worten: Gatter A schaltet vor Gatter B und B schaltet vor A. Die PhysikerInnen aus der Gruppe von Philip Walther entwickelten ein Experiment, in welchem die zwei Quantengatter in beiden Abfolgen auf Einzelphotonen angewandt wurden.

Die Ergebnisse ihres Experiments bestätigten, dass es aus Prinzip unmöglich herauszufinden ist, welches Gatter zuerst geschaltet wurde. Das Experiment war jedoch nicht einfach ein Kuriosum. "Tatsächlich konnten wir einen Quantenalgorithmus laufen lassen, der die Gatter effizienter als alle anderen bisher bekannten Algorithmen charakterisierte", so Lorenzo Procopio, Erstautor der Studie. Aus einer einzelnen Messung am Photon prüften sie eine bestimmte Eigenschaft der beiden Quantengatter und bestätigten dadurch, dass die Gatter in beiden Abfolgen gleichzeitig geschaltet wurden. Sobald mehr Gatter zur Aufgabe hinzugefügt werden, wird die neue Methode im Vergleich zu bisherigen Techniken sogar noch effizienter.

Der Weg in die Zukunft
Den ForscherInnen gelang es, eine Superposition von Quantengattern erstmals im Labor umzusetzen. Zugleich wurde das Experiment erfolgreich dazu genutzt, eine neuartige Form des Quantenrechnens zu demonstrieren. Die WissenschafterInnen konnten eine Rechenaufgabe mit einer Effizienz lösen, die mit den alten Quantenrechenschemen nicht erreicht werden kann. Ihre Arbeit stößt damit die Tür für künftige Studien zu neuartigen Quantenrechenschemen auf. Obwohl das volle Ausmaß ihrer Bedeutung noch unbekannt ist, repräsentiert diese Arbeit einen neuen, spannenden Weg, um theoretische, physikalische Grundlagenforschung mit experimentellem Quantenrechnen zu verbinden.

Publikation in "Nature Communications":
"Experimental Superposition of Orders of Quantum Gates": Lorenzo M. Procopio, Amir Moqanaki, Mateus Araújo, Fabio Costa, Irati Alonso Calafell, Emma G. Dowd, Deny R. Hamel, Lee A. Rozema, Caslav Brukner, and Philip Walther. Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms8913