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25. September 2022

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Neue Ausbaustufe bei Quantenrechnern

Neue Ausbaustufe bei Quantenrechnern© Pexels.com/Kelvin Valerio

Forscher von Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und Universität Wien entwickeln beschleunigten Weg für Berechnungen in Quantencomputern.

(red/mich) Die sogenannte Superposition ist eine fundamentale Eigenschaft von Quantensystemen. Das berühmteste Beispiel dafür ist die Katze von Erwin Schrödinger, die in solch einer Superposition der Zustände “lebendig” und “tot” existiert. Die Physik weiß mittlerweile, dass solche Überlagerungszustände in Quantensystemen nicht nur Eigenschaften wie die Polarisation oder die räumliche Position betreffen können, sondern auch die zeitliche Abfolge von Interaktionen. Ob Ereignis A vor oder nach Ereignis B passiert, kann hier nicht bestimmt werden, weil das System in einer Überlagerung beider möglicher Abfolgen existiert.
 
Turbo für bestimmte Berechnungen
Wird dieses Prinzip nun auf die Reihenfolge einzelner Rechenschritte angewendet, lassen sich bestimmte Berechnungen mit Quantencomputern schneller durchführen als mit einer klar definierten Sequenz. “Diese Idee gibt es schon eine Weile, sie wurde für sehr einfache Systeme mit nur zwei Rechenschritten auch schon experimentell bestätigt”, sagt Časlav Brukner vom Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der Projekt und Publikation mit Martin J. Renner von der Uni Wien erarbeitet hat.

Praktisch nutzbar war dieser „Turbo“ für Quantencomputer bisher aber nicht. “Bisherige Ansätze gingen davon aus, dass sich komplexere Berechnungen nur mit Quantensystemen verwirklichen lassen, die keine gewöhnlichen Qbits sondern technisch nur schwer manipulierbare, höherdimensionale Informationsträger verwenden. Unsere Arbeit zeigt, dass das nicht stimmt”, betont Brukner.

Vorteil wächst mit Komplexität
Die Physiker veranschaulichten in ihrer neuen Publikation, dass die in Quantencomputern üblichen Qbits, die zwei Dimensionen, bzw. mögliche Zustände haben, ausreichen, um eine Überlagerung verschiedener Reihenfolgen von Rechenschritten auch für komplexere Berechnungen zu nutzen. „Damit ist der Weg frei, um das Prinzip mit Experimenten praktisch nutzbar zu machen“ ergänzt Brukner.
 
Die Forscher konnten zudem den Geschwindigkeitsvorteil bestimmen, wenn die Reihenfolge der Rechenschritte undefiniert bleibt. „Der Vorteil ist für einfache Systeme relativ klein, wächst aber mit der Zahl der Rechenschritte und wird für komplexere Berechnungen dadurch auch relevant”, sagt Martin Renner, Co-Autor von der Uni Wien. Nach Ansicht beider Quantenphysiker könne nun damit begonnen werden, solche Systeme im Labor zu konstruieren und damit konkrete Berechnungen zu definieren, die sich mit diesem Ansatz beschleunigen lassen.

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red/mich, Economy Ausgabe Webartikel, 21.06.2022