Quantencomputer im Test: Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Workgroup Walther Group


30. Sep 2013  — Quantencomputer können Aufgaben lösen, an denen ein klassischer Computer scheitert. Die Frage, wie die Ergebnisse dennoch mit konventionellen Methoden überprüft werden können, haben WissenschaftlerInnen in einem Experiment an der Universität Wien beantwortet. Die Ergebnisse der Studie wurden im Journal Nature Physics publiziert.


Quantencomputer im Test: Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Darstellung der fundamentalen Frage: Wie können Quantenrechnungen überprüft werden, wenn diese mit einem klassischen Computer nicht berechnet werden können? (Foto: EQUINOX GRAPHICS)


Die Erschließung einzigartiger Quantenphänomene wie der Superposition und der Verschränkung legt den Grundstein für zukünftige Quantencomputer. Diese können viele Aufgaben schneller lösen als herkömmliche Rechenmaschinen. Allerdings führt dieser Vorteil auch zu einer neuartigen Herausforderung: Wie kann man sicher sein, dass das Ergebnis korrekt ist – wenn man dieses selbst mit einem konventionellen Computer nicht berechnen oder überprüfen kann?

Stefanie Barz und Philip Walther von der Universität Wien fanden mit TheoretikerInnen aus Edinburgh und Singapur die passenden Methoden, um einen Quantencomputer zu testen, ohne einen weiteren Quantencomputer zu Hilfe zu nehmen. Die ForscherInnen haben in einem neuartigen Experiment gezeigt, dass dies möglich ist.

Wie man dem Quantencomputer eine Falle stellen kann

Um den Quantencomputer zu testen, bauten die WissenschafterInnen "Fallen" in die Rechenanfragen ein. Diese Fallen sind kleine Zwischenberechnungen, bei denen der Nutzer das Ergebnis im Vorhinein kennt. Tut der Quantencomputer nicht das, was er soll, so zeigt die Falle ein anderes als das erwartete Ergebnis. Der Nutzer kann dadurch überprüfen, wie zuverlässig der Quantencomputer arbeitet. Je mehr Fallen der Nutzer verwendet, desto besser kann sichergestellt werden, dass der Quantencomputer auch tatsächlich korrekt rechnet.

"Wir haben den Test so konstruiert, dass der Quantenrechner die Falle nicht von gewöhnlichen Rechenanfragen unterscheiden kann", erklärt Stefanie Barz, die Hauptautorin der Studie: "Dies ist eine wichtige Voraussetzung um zu garantieren, dass der Quantencomputer das Testergebnis nicht fälschen kann." Die ForscherInnen haben auch getestet, ob der Quantenrechner tatsächlich auf Quantenressourcen zurückgreift. Dadurch können sie sicherstellen, dass der Quantencomputer nicht nur hohe Rechenleistungen vortäuscht, sondern auch wirklich über diese verfügt.

Photonen – das Umsetzen der Idee in die Tat

Das Experiment der ForscherInnengruppe an der Fakultät für Physik basiert auf einem optischen Quantencomputer, der einzelne Lichtteilchen als Datenträger verwendet. "Optische Quantencomputer sind ideal, um die Ergebnisse zu überprüfen. Da die Lichtteilchen mobil sind, können sie genutzt werden, um mit dem Computer zu interagieren", so Philip Walther. Die ForscherInnen sind sich auch einig, dass die Ergebnisse dieses Experiments sowohl für zukünftige Kontrollmechanismen von Quantencomputern wichtig sind, als auch um komplexe Quantenphänomene zu untersuchen. (vs)

Publikation "Experimental verification of quantum computation" (AutorInnen: Stefanie Barz, Joseph F. Fitzsimons, Elham Kashefi und Philip Walther) erschien am 29. September in "Nature Physics".

Internationale Kooperation und Förderung
Diese national und international hoch dotierte Forschungsarbeit wurde als Kooperation von WissenschafterInnen der Universität Wien, der University of Edinburgh, des Centre for Quantum Technologies an der National University of Singapore und der Singapore University of Technology and Design durchgeführt.