In einer aktuellen Arbeit in Physical Review Letters präsentieren Theoretische Physiker um Andreas Elben und Benoît Vermersch aus der Forschungsgruppe von Peter Zoller eine neue Methode, mit der Quantenzustände verglichen werden können, die auf unterschiedlichen Quantencomputern oder Quantensimulatoren präpariert wurden.
Weltweit wird derzeit an der Entwicklung von Quantencomputern gearbeitet. Für deren Realisierung nutzen Forschungseinrichtungen und Unternehmen verschiedene physikalische Systeme. So wird in Innsbruck intensiv an Quantencomputern mit gefangenen Ionen als Herzstück gearbeitet, andere verwenden zum Beispiel supraleitende Quantenbits oder Rydbergatome. Da Quantencomputer klassischen Computern in manchen Dingen überlegen sind, stehen die Entwickler vor dem Problem, wie sie die Richtigkeit von Quantencomputer überprüfen können, wenn deren Komplexität klassische Supercomputer überfordert. Eine Möglichkeit ist es, die Rechnungen auf mehreren unterschiedlichen Quantencomputern durchzuführen und zu vergleichen. Kommen diese zum gleichen Ergebnis, kann davon ausgegangen werden, dass das Ergebnis richtig ist.
Vergleich über zufällige Messungen
Die Innsbrucker Theoretiker schlagen nun eine Methode vor, mit der durch paarweises Vergleichen von zwei Quantencomputern das Ergebnis verifiziert werden kann. Dabei sollen zwei Quantencomputer die gleiche Aufgabe lösen, also im Idealfall den gleichen Quantenzustand präparieren. „Mit unserer Methode sind wir nun in der Lage, diese Quantenzustände direkt zu vergleichen“, sagen Andreas Elben und Benoît Vermersch, die Erstautoren der Publikation in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Das Verfahren haben sie in enger Zusammenarbeit mit Christian Kokail und Rick van Bijnen in der Arbeitsgruppe von Peter Zoller entwickelt und untersucht. „Die Idee ist es, auf beiden Geräten den gewünschten Zustand zu präparieren, auf beiden Quantencomputern die gleichen zufälligen Messungen durchzuführen und dann aus den statistischen Korrelationen dieser zufälligen Messungen die Fidelität, ein hochsensibles Vergleichsmaß, der beiden Quantenzustände zu extrahieren.“ Diese Methode stellt eine Verallgemeinerung jener Techniken dar, die die Innsbrucker Physiker im Frühjahr gemeinsam mit Experimentalphysikern um Rainer Blatt und Christian Roos in der Fachzeitschrift Science vorgestellt hatten.
Methode bietet viele Vorteile
Das Neuartige an der Methode ist, dass der Vergleich über klassische Kommunikation erfolgt. Daher können die Quantenzustände in den beiden Quantengeräten an unterschiedlichen Zeitpunkten und Orten realisiert werden. „So können also auch Quantenrechnungen zwischen Österreich und China oder den USA verglichen werden“, sagt Andreas Elben. Die Methode ist darüber hinaus sehr effizient und erlaubt auch die Betrachtung von Dutzenden von Quantenbits bei einem realistischen Messaufwand und ist auch auf gemischte Zustände, wie sie im Labor immer vorkommen, anwendbar.