Wie Quantencomputer noch schneller sein könnten

20. Juni 2022, 10:05
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In einem Qubit können sich nicht nur Zustände, sondern auch zeitliche Abfolgen überlagern.

Arbeitet ein Computer eine Aufgabe ab, tut er dies in einer bestimmten Abfolge einzelner Rechenschritte. Die Quantenphysik erlaubt es einem speziell aufgebauten Quantencomputer aber auch, Berechnungen quasi gleichzeitig in einer "Superposition" verschiedener Abfolgen der Rechenschritte durchzuführen.
Laut Wiener Forschern ginge das auch einfacher als bisher vermutet, ausserdem mache der Ansatz einen solchen Rechner umso überlegener, je komplexer die Aufgabe ist.
In der Quantenmechanik können sich Systeme in bizarr anmutenden Überlagerungszuständen befinden. So kann sich ein und dasselbe Objekt an 2 Orten gleichzeitig aufhalten oder 2 Zustände gleichzeitig haben. Veranschaulicht wird dies durch das berühmte Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger. Dabei geht es um eine Katze in einer Kiste, deren Schicksal vom Zustand eines Teilchens abhängt, das sich in einem Überlagerungszustand befindet. Solange sein Zustand nicht gemessen wird, ist auch die Katze quantenphysikalisch gesehen sowohl tot als auch lebendig. Physiker sprechen in diesem Fall von Superposition. Wenn jemand in die Kiste schauen würde, würde dies eine Messung darstellen, und die Katze wäre sozusagen "erlöst".

Überlagerte Zeit

Ist das für den Alltagsverstand schon entsprechend schwer zu fassen, können sich auch Abfolgen von Ereignissen in einem solchen Überlagerungszustand befinden. Ob dann eine Begebenheit A vor Begebenheit B stattfindet oder umgekehrt, kann nicht bestimmt werden. Umgelegt auf einen Quantenrechner könnte ein solcher auch Berechnungen ausführen, ohne dass dabei fix festgelegt ist, nach welcher Reihenfolge die einzelnen Rechenschritte erfolgen.
Ein solcher Computer, der Rechnungen gewissermassen parallel in allen möglichen Phasen der Berechnung ausführt, könnte verschiedene Aufgaben auch deutlich effizienter lösen als ein anderer Quantencomputer. Schafft man es also, so ein System zu entwickeln, würde man "Quantencomputing gegenüber herkömmlichen Quantencomputing nochmals verbessern", sagte Caslav Brukner vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien zur Nachrichtenagentur 'APA'.
In einem "normalen" Quantenrechner absolviert ein Informationsträger (Qubit) hintereinander verschiedene Quantenoperationen, genannt Gates, in einer bestimmten Reihenfolge. Diese Gates könne man sich als verschiedene "Black Boxen" vorstellen, die ein Qubit – zum Beispiel ein Photon, das Quanteninformation trägt – passiert und dabei verändert wird.

Ansatz bedingt keine komplexeren Qubits

Je mehr solcher Boxen ein Qubit durchläuft, umso aufwendiger ist es, die Information wieder auszulesen. Absolviert das Photon diese Boxen, also einzelne Rechnungen, aber in einer Überlagerung aller möglichen Abfolgen, geht das deutlich schneller. Der Geschwindigkeitsvorteil fällt zudem umso grösser aus, je komplexer die Aufgabe ist.
Brukner und Co-Autor Martin Renner konnten in ihrer im Fachblatt "Physical Review Letters" erschienenen Arbeit auch die Annahme widerlegen, dass es für in Superposition befindliche komplexere Berechnungen auch unbedingt komplexere Quanteninformationsträger braucht. Die von ihnen widerlegte Behauptung war: "Je mehr Boxen, desto mehr Dimensionen muss auch das System haben", sagte Brukner. Dass dem nicht so sein müsse, mache ihren Ansatz zusätzlich interessant.

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