Wie man Daten am Quantencomputer zuverlässig löscht (im Bild: Quantencomputer IQOQI in Innsbruck)

Wie man Daten am Quantencomputer zuverlässig löscht (im Bild: Quantencomputer IQOQI in Innsbruck)

© IQOQI/Markus R. Knabl

Science

Wie man Daten am Quantencomputer zuverlässig löscht

Am absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) ist ein Quantenteilchen, etwa ein Atom, im Grundzustand. Alle Information über frühere Zustände sind damit perfekt gelöscht. Um Daten im Quantencomputer zu löschen, müsste man also die Träger der Quanteninformation (Qubits) derart abkühlen.

Doch das ist laut Drittem Hauptsatz der Thermodynamik nicht möglich. Wiener Forscher berichten nun im Fachblatt "PRX Quantum", wie man trotzdem Quanteninformation zuverlässig löscht.

Mindest-Energiemenge

Der deutsch-amerikanische Informationswissenschaftler Rolf Landauer stellte 1961 ein nach ihm benanntes Prinzip auf, wonach bei jedem logisch irreversiblen Vorgang, bei dem Informationen manipuliert werden, etwa beim Löschen eines Bits, die Entropie zunimmt.

Das bedeutet, dass man "eine ganz bestimmte Mindest-Energiemenge aufbringen muss, um ein Bit an Information zu löschen", erklärte der Quantenphysiker Marcus Huber vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).

Unendlich viel Energie

Während beim klassischen Bit Löschen und Kühlen prinzipiell 2 separate Probleme seien, ist "das Löschen eines Quantenbits mathematisch gleichzusetzen wie das Kühlen zum Grundzustand", erklärte Huber gegenüber der APA. Doch eine solche perfekte Kühlung kann es laut dem vom deutschen Physiker Walther Nernst 1905 aufgestellten Dritten Hauptsatz der Thermodynamik nicht geben.

Diesem Nernst-Theorem zufolge ist nämlich unendlich viel Energie notwendig, um etwas auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen und damit in den Zustand der niedrigsten Energie (Grundzustand) zu versetzen. Diese Temperatur ist also nicht erreichbar, man kann sich den minus 273,15 Grad Celsius nur annähern.

(Un)endlicher Energieeinsatz

Die Frage beim Löschen eines Qubits sei nun, zu welchen Kosten das erfolgt: "Sind diese endlich, wie es das Landauer-Prinzip sagt, oder dem Nernst-Theorem folgend unendlich?", so Huber. Wie der Quantenphysiker mit seinem Team nun herausfand, ist im Prinzip der unendliche Energieeinsatz nur notwendig, wenn man in endlicher Zeit kühlen bzw. löschen will. Würde man unendlich lang Zeit haben, könnte man auf diesen erforderlichen unendlichen Energieeinsatz verzichten.

Entgegen ihren Erwartungen zeigten die Physiker zudem, dass man auch "Quantensysteme definieren kann, die ein Erreichen des absoluten Grundzustandes sogar bei endlicher Energie und in endlicher Zeit erlauben". Ein solches Quantensystem müsste dafür allerdings unendlich komplex sein, um es in endlicher Zeit mit endlichem Energieaufwand zum absoluten Nullpunkt abzukühlen.

Funktioniert mit endlichen Ressourcen

"Wenn man also Quanteninformation im Quantencomputer perfekt löschen möchte, und dabei ein Qubit in einen perfekt reinen Grundzustand überführen will, dann bräuchte man theoretisch einen unendlich komplexen Quantencomputer, der unendlich viele Teilchen perfekt kontrollieren kann", so Huber.

In der Praxis sei diese Perfektion aber gar nicht nötig, betonen die Physiker. "Man braucht keine perfekten Qubits, nur hinreichend gute, damit Fehlerkorrektur funktioniert - und das geht zum Glück mit endlichen Ressourcen", so Huber.

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