Wie man einen Quantencomputer zertifiziert

Quantencomputer werden von Teams entwickelt, die nicht nur an Universitäten, sondern auch bei Google, IBM, Microsoft und D-Wave, einem Start-up-Unternehmen, arbeiten. Und die Dinge entwickeln sich schnell, sagt Nicolas Sangouard, SNF-Professor an der Universität Basel. „In höchstens ein paar Jahren erwarte ich, dass die Rechenleistung von Quantencomputern die Rechenleistung von gewöhnlichen Computern deutlich übersteigt. Wir nennen das „Quantensouveränität“.

Sangouard und seine Mitarbeiter haben kürzlich gezeigt, wie man überprüft, ob diese Computer für den jeweiligen Zweck geeignet sind. Denn sie sind nicht nur kraftvoll, sondern auch sehr empfindlich: Einige arbeiten bei extremen Temperaturen bis zu 270 Grad unter Null. Der Ansatz der Forscher ermöglicht es ihnen, alle Komponenten eines Quantencomputers zu zertifizieren – vom Kurz- und Langzeitgedächtnis über Informationsprozessoren bis hin zu den Konvertern, die für den Anschluss des Computers an ein sicheres Quantenkommunikationsnetzwerk erforderlich sind. Das Protokoll bietet einen weiteren Vorteil: Es verwendet nur die bereits im Computer vorhandenen Komponenten und erübrigt so zusätzliche Geräte. Im Prinzip funktioniert das Protokoll mit jeder Art von Quantencomputer, unabhängig von der dahinter stehenden Technologie.

Eine Maschine, die sich selbst testet

„Die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern macht es schwierig, sie zu zertifizieren“, sagt Sangouard. „Selbst die schnellsten gewöhnlichen Computer sind zu langsam, um die Berechnungen solcher Geräte zu überprüfen.“ Darüber hinaus werden Quantencomputer in der Lage sein, über ein dediziertes Quantenkommunikationsnetzwerk sicher miteinander zu kommunizieren. Deshalb ist es wichtig, darauf zu achten, dass sie kein schwaches Glied sind, sagt Sangouard.

Deshalb hat das Forschungsteam eine vollständig quantenzertifizierte Methode entwickelt, die die eigenen Bausteine des Computers verwendet. „Wir haben uns von Bell-Tests inspirieren lassen, die von einem Physiker am CERN in den 1960er Jahren entwickelt wurden“, sagt Sangouard. „Normalerweise werden diese Tests verwendet, um zu überprüfen, ob sich die Partikel nach den Quantenregeln verhalten. Wir haben die Tests modifiziert, damit sie die Funktion der verschiedenen Komponenten eines Quantencomputers überprüfen können. Da ein solches Gerät grundsätzlich in der Lage ist, die Tests durchzuführen, ist unser Verfahren sehr einfach einzurichten und erfordert keine besonderen Fähigkeiten.“

„Anlass für das Projekt war ein Seminargespräch eines an der Universität Basel eingeladenen Wissenschaftlers“, sagt Sangouard. „Der Vortrag beschäftigte sich mit einem komplizierten Aspekt der Quantenphysik, aber wir waren motiviert, ihn in eine nützliche Methode für Quantencomputer zu übersetzen. Für mich ist das ein perfektes Beispiel dafür, dass eine Konferenz nicht nur ein Mittel zum passiven Lernen ist, sondern auch erhebliche Innovationschancen bietet“.

Mehr Informationen:
Pavel Sekatski et al. Certifying the Building Blocks of Quantum Computers aus Bell’s Theorem, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.180505

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