Wiener Physiker prüfen Quantencomputer

Quantencomputer sollen künftig mithilfe quantenphysikalischer Phänomene bestimmte Probleme lösen können, an denen ein klassischer Rechner scheitert. Bis es so weit ist, wird wohl noch einige Zeit vergehen. Zunehmend fragten sich die Wissenschafter aber, wie man bei einer so mächtigen Maschine überprüfen soll, ob das Ergebnis richtig ist. Wiener Physiker haben nun gezeigt, wie dies mit konventionellen Methoden möglich ist und ihre Ergebnisse im Fachjournal "Nature Physics" veröffentlicht.

Neben anderen soll vor allem ein Quanteneffekt einen Quantencomputer künftig so schnell machen: die Überlagerung, auch Superposition genannt. Im Quantenrechner wird die kleinste Informationseinheit ein Quantenzustand sein, ein Quantenbit (Qubit). Während im klassischen Computer ein Bit nur die Zustände 0 (Strom aus) und 1 (Strom ein) annehmen kann, kann ein Qubit unendlich viele Zustände dazwischen einnehmen, es befindet sich im Zustand der Überlagerung.

Einfache Quantencomputer mit ein paar Handvoll Qubits existieren bereits in den Labors. "In den vergangenen Jahren hat man sich aber zunehmen gefragt, ob wir irgendwann vor dem Problem stehen werden, nicht mehr überprüfen zu können, ob das Ergebnis richtig ist und der Computer das macht, was er tun soll", sagte Philip Walther von der Fakultät für Physik an der Universität Wien. Es habe sogar Ansätze gegeben, dass man einen kleinen Quantencomputer benötigt, um einen großen überprüfen zu können.

"Fallen"

Walther und seine Kollegin Stefanie Barz konnten gemeinsam mit Theoretikern aus Edinburgh und Singapur nun in einem neuartigen Experiment zeigen, dass es möglich ist, die Rechenergebnisse eines Quantencomputers zu überprüfen, ohne auf zusätzliche Quantenressourcen zurückzugreifen und wir "mit wenig Macht in der Hand eine wirklich mächtige Maschine überprüfen können", so Walther. Auch wenn sie dies nur an einem sehr kleinen Quantencomputer mit vier Qubits demonstrierten, konnten die Physiker nachweisen, dass dies prinzipiell möglich ist.

Die Wissenschafter bauten dazu "Fallen“ in die Rechenanfragen ein. Dabei handelt es sich um kleine Zwischenberechnungen, bei denen man das Ergebnis im Vorhinein kennt. Rechnet der Quantencomputer falsch, zeigt die Falle nicht das erwartete Ergebnis. Je mehr Fallen verwendet werden, umso sicherer ist die korrekte Berechnung.

Der Test ist dabei so konzipiert, dass der Quantenrechner die Falle nicht von einer gewöhnlichen Rechenanfrage unterscheiden kann. Das sei eine wichtige Voraussetzung, um zu garantieren, dass der Quantencomputer das Testergebnis nicht fälschen kann. Der Test eignet sich auch dafür nachzuweisen, dass der Quantencomputer tatsächlich auf Quantenressourcen zurückgreift und nicht nur hohe Rechenleistungen vortäuscht.

Das Experiment der Physiker basiert auf einem optischen Quantencomputer, der einzelne Lichtteilchen als Datenträger verwendet. Das Konzept zur Überprüfung würde sich aber nicht nur für optische Quantencomputer eignen, sondern gelte für jedes System, betonte Walther.