Innsbrucker Physiker haben für die Simulation einer komplexen physikalischen Fragestellung ihren Quantencomputer dazu gebracht, auf klassischem Weg effizient lösbare Arbeiten sozusagen in die Cloud auszulagern und von einem konventionellen PC erledigen zu lassen. Zudem schafften sie es erstmals, dass ihr Quantenrechner sein Ergebnis selbstständig überprüft, berichten sie im Fachjournal "Nature".
Auf konventionellen Computern lassen sich quantenphysikalische Vorgänge in Systemen mit 20 Teilchen gerade noch simulieren, "bei 50 Teilchen wird es schon extrem schwierig, der Berechnungsaufwand steigt exponentiell mit der Zahl der Teilchen", erklärte die Experimentalphysikerin Christine Maier vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), die gemeinsam mit ihren Kollegen Rick van Bijnen und Christian Kokail die aktuelle Arbeit verfasst hat. Ein Quantensystem selbst habe damit aufgrund seiner besonderen Eigenschaften hingegen kein Problem - und hier kommt der Quantencomputer ins Spiel.
Während klassische PC auf binäre Operationen setzen, also 0 oder 1, fußt ein Quantencomputer auf quantenphysikalischen Systeme, beispielsweise Photonen oder Ionen. Diese können ebenfalls zwei Basiszustände haben, also 0 und 1 - und zwar mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, sobald man den Zustand misst. Weil die Systeme aber den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, können sie - solange niemand hinschaut - beide Zustände gleichzeitig einnehmen ("Superposition"). Das kann man dazu nutzen, bestimmte Berechnungen viel schneller zu lösen.
20 Quantenbits
Rainer Blatt und seine Kollegen vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck und dem IQOQI haben ein System mit 20 individuell kontrollierbaren Quantenbits (Qubits), wie die grundlegende Informationseinheit hier heißt, realisiert. Dabei handelt es sich um 20 in Fallen gehaltenen Ionen. Diesen 20 Qubit-Quantenrechner haben Maier, van Bijnen und Kokail nun dazu genutzt, ein grundlegendes Modell aus der Hochenergiephysik, das sogenannte Schwinger-Modell, zu simulieren. Darin wird die Entstehung und Vernichtung von Teilchen- und Antiteilchen-Paaren im Vakuum beschrieben.
Dazu werden mit Laserlicht verschiedene Zustände der 20 Ionen erzeugt und gemessen. Die Messergebnisse werden an den klassischen PC übermittelt. Dieser berechnet in einem Optimierungsverfahren, wie sich die Energie der verschiedenen Zustände minimieren ließe. Ziel ist es, den Grundzustand dieses Modells zu finden. "Das sind Algorithmen, die ein klassischer PC sehr gut lösen kann", sagte Maier im Gespräch mit der APA. Notwendig war dafür ein von den Theoretischen Physikern entwickelter spezieller Optimierungsalgorithmus, der es erlaubt, "diese Art von Quantensimulation auch für sehr große Systeme durchzuführen", so Kokail.
Nach jeder Berechnung sagt der PC seinem Quanten-Coprozessor, wie das Laserlicht verändert werden soll, ob es länger oder kürzer, stärker oder schwächer, oder mit einer anderen Lichtphase eingestrahlt wird. Nach etwa 100.000 Durchgängen waren die Stellschrauben so gedreht, dass der Grundzustand gefunden war. "Wir verwenden also die besten Eigenschaften beider Technologien: Der Quantensimulator übernimmt die rechenaufwendigen Quantenprobleme, der klassische Computer löst die restlichen Aufgaben", sagte Maier.
Arbeit an Quantencomputer mit 50 Ionen
Diese Methode ist so effizient, dass sich damit auch mit noch größeren Quantensimulatoren rechnen ließe. Das könnte auch bald schon Realität werden, arbeiten die Innsbrucker Quantenphysiker doch schon seit einiger Zeit an einem Quantencomputer mit bis zu 50 Ionen.
Damit stoßen sie allerdings in einen Bereich mit bisher ungelösten Problemen vor. Die Schwierigkeit ist, dass Qubits sehr empfindlich gegenüber Störungen sind und daher unweigerlich Fehler machen. Diese Fehlerkontrolle und -korrektur konnte bisher noch am klassischen PC gemacht werden. Bei 50 Qubits ist das aber nicht mehr möglich.
Den Innsbrucker Physikern ist es nun gelungen, durch zusätzliche Messungen im Quantensystem dieses Problem zu lösen. Anhand dieser Messergebnisse beurteilt der Quantenrechner selbst die Qualität der Simulation. Diese erstmals gezeigte Selbstverifikation ermöglicht noch komplexere Quantensimulationen und bringt "die Simulation von alltagsrelevanten Quantenproblemen in greifbare Nähe", so der Theoretische Physiker Peter Zoller, der übrigens in der Vorwoche mit einem Ehrendoktorat der University of Colorado in Boulder (USA) ausgezeichnet wurde.
Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1177-4
(APA/red, Foto: APA/IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch)
