Ein TÜV für Quantencomputer

Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Jens Eisert (FU Berlin, HZB) entwickelt Qualitätstests für Quantencomputer

Quantentechnologien und vor allem Quantencomputer gelten als vielversprechende Zukunftstechnologie. Man erhofft sich von ihnen die Lösung von Problemen, die derzeit selbst die schnellsten Superrechner praktisch nicht bewältigen können. Große globale IT-Unternehmen und Länder wie die USA und China investieren erhebliche Summen in die Entwicklung der Technologie. Da Quantencomputer aber auf anderen physikalischen Gesetzen basieren als herkömmliche Rechner, Laptops oder Smartphones, sind sie störanfälliger. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Freien Universität Berlin, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Heinrich-Hertz-Institut, QuSoft in Amsterdam, dem Quantum Research Center in Abu Dhabi, QMath in Kopenhagen und der Technischen Universität München hat nun herausgefunden, wie sich solche Quantencomputer in ihrer Qualität testen lassen. Die Studie dazu ist im Fachmagazin „Nature Communications“ erschienen (https://www.nature.com/articles/s41467-023-39382-9. Bei dem wissenschaftlichen „Computer-TÜV“ kommen Methoden der Physik, der Informatik und der Mathematik zum Tragen.

Der renommierte Quantenphysiker der Freien Universität Berlin und einer der Autoren der Studie, Prof. Dr. Jens Eisert, erklärt: „Quantencomputer arbeiten auf Basis quantenmechanischer physikalischer Gesetze, in denen man einzelne Atome oder Ionen als Recheneinheiten verwendet, also kontrollierte, winzige physikalische Systeme. Das Außergewöhnliche an den Zukunftsrechnern ist, dass auf dieser Ebene die Natur extrem und radikal anders funktioniert, als wir das in unserer Alltagserfahrung der Welt, die wir wahrnehmen, kennen.“

Quantencomputer haben aber auch einen Schwachpunkt: „Sie sind wahre Mimosen, was Störeinflüsse der Umgebung betrifft. Ist der Quantencomputer nicht hinreichend von der Umgebung abgeschirmt, verschwinden die Eigenschaften, die für seine rechnerische Mächtigkeit verantwortlich sind. Die ‚Quantenvorteile‘, wie man sagt, verschwinden. Kurz: Dann funktioniert er nicht“, sagt der Professor für Theoretische Physik weiter.

Für die Forschung ergibt sich daher die wichtige Frage: Wie kann man überhaupt wissen, ob eine Quantenschaltkreis richtig funktioniert hat? Ähnlich wie beim TÜV getestet wird, ob ein Auto noch sicher im Straßenverkehr einsetzbar ist, werden Testverfahren benötigt, die zeigen, zu welcher Güte ein Quantenschaltkreis implementiert wurde. „Ohne solche Methoden erhält man in der Quantenrechnung zwar Ergebnisse, aber auf sie ist kein Verlass“, sagt Jens Eisert.

Das interdisziplinäre Forschungsteam der Freien Universität Universität, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Heinrich-Hertz-Institut, QuSoft in Amsterdam, dem Quantum Research Center in Abu Dhabi, QMath in Kopenhagen und der Technischen Universität München hat nun herausgefunden, wie sich solche Quantencomputer in ihrer Qualität testen lassen.

„Die Methode ist ebenso einfach wie verblüffend: Man führt bestimmte ganz zufällige Quantenschaltkreise durch und liest dann die elementaren Teile des Quantencomputers aus, ‚Quantenbits‘ genannt“, erklärt der Professor für Theoretische Physik der Freien Universität Berlin weiter. Die Daten, die man so erhält, lassen eine ganze Reihe an diagnostischer Information zu. Aus den selben Daten kann man lernen, wie gut elementare Gatter, also Recheneinheiten, arbeiten, welche Störeinflüsse vorliegen oder ob bestimmte Teile ungewollt miteinander wechselwirken.

„Das ist, um bei der Metapher des TÜVs zu bleiben, so, als würde man mit dem Waschlappen zufällig mit ein paar fahrigen Bewegungen mehrere Male über das Auto gehen. Und würde so herausfinden, ob der Motor funktioniert, die Scheibenwischerflüssigkeit gefüllt ist und die Bremsen richtig eingestellt sind: Dies alles, mit derselben zufälligen Messung. Eine solche Messung liefert die gesamte Diagnostik in einem Schwung“, betont Jens Eisert.

Die Forschung verspricht sich von dieser Methode des Verifizierens, zukünftig Quantenrechner zu echten technologischen Geräten zu gestalten, die tatsächlich wirtschaftlich und wissenschaftlich nutzbar sind.

Publikation:

Shadow estimation of gate-set properties from random sequences
Helsen, J., Ioannou, M., Kitzinger, J. et al.
Nature Communications 14, 5039 (2023). doi.org/10.1038/s41467-023-39382-9

Kontakt

Prof. Dr. Jens Eisert
Freie Universität Berlin
Dahlem Center for Complex Quantum Systems
Physics Department
E-Mail: jense(at)zedat.fu-berlin.de
www.physik.fu-berlin.de/einrichtungen/ag/ag-eisert/

Pressemitteilung FU Berlin vom 24.08.2023