Forschung aus Wien

Quantenrechner: Je komplexer der Job, umso flotter

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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 vermutet, außerdem mache der Ansatz diesen 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 zwei Orten „gleichzeitig“ aufhalten. So wie das berühmte Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger, bei dem eine Katze gleichzeitig sowohl tot als auch lebendig ist, sind sie sowohl an dem einen als auch an dem anderen Ort. Physiker sprechen in diesem Fall von Superposition.

Reihenfolge für Quantenrechner irrelevant
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 Abfolgen der Rechenschritte 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 Časlav Brukner vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien.

Je komplexer die Aufgabe, umso schneller
In einem „normalen“ Quantenrechner durchläuft ein Informationsträger (Qubit) hintereinander verschiedene Quantenoperationen (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 eine Veränderung erfährt. Je mehr solcher Boxen ein Qubit durchläuft, umso aufwendiger ist es, die Information wieder auszulesen. Passiert das Photon diese Boxen - vulgo einzelne Rechnungen - aber in einer Überlagerung aller möglichen Abfolgen geht das deutlich schneller. Der Geschwindigkeitsvorteil fällt noch dazu umso größer aus, je komplexer die Aufgabe ist.

Brukner und Ko-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 Behauptung war: „Je mehr Boxen, desto mehr Dimensionen muss auch das System haben“, sagte Brukner. Dass dem nicht so sein muss, mache den Ansatz zusätzlich interessant.