Ein Stückchen mehr Berherrschbarkeit

Es rauscht im Quantencomputer

| Autor / Redakteur: Arne Claussen* / Ulrike Ostler

Rekonstruktion eines Haar-Random 3-Quit-Kanals unter Verwendung der Optimierung (3): Die Diagramme zeigen die Abhängigkeit des beobachteten durchschnittlichen Rekonstruktionsfehlers ϵrec≔∥Z♯-X∥ von der Anzahl der AGFs m für verschiedene Rauschstärken η≔∥ε∥ℓ. Die Fehlerbalken kennzeichnen die beobachtete Standardabweichung. Die Durchschnittswerte werden über 100 Stichproben von zufälligen independent identically distributed-Messungen und Kanälen (uneinheitlich) ermittelt (siehe: Anmerkung 1)
Rekonstruktion eines Haar-Random 3-Quit-Kanals unter Verwendung der Optimierung (3): Die Diagramme zeigen die Abhängigkeit des beobachteten durchschnittlichen Rekonstruktionsfehlers ϵrec≔∥Z♯-X∥ von der Anzahl der AGFs m für verschiedene Rauschstärken η≔∥ε∥ℓ. Die Fehlerbalken kennzeichnen die beobachtete Standardabweichung. Die Durchschnittswerte werden über 100 Stichproben von zufälligen independent identically distributed-Messungen und Kanälen (uneinheitlich) ermittelt (siehe: Anmerkung 1) (Bild: © 2018 American Physical Society)

Quantencomputer sind ein vielversprechendes Werkzeug zur Berechnung komplexer Fragestellungen. Allerdings: Die genaue Charakterisierung ihrer Komponenten ist eine Herausforderung; denn die braucht es, um Fehlerquellen zu eliminieren.

Physiker um Juniorprofessor Martin Kliesch vom Institut für Theoretische Physik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) haben eine Methode entwickelt, mit der die Komponenten des „Quantengatter“ (oder englisch „quantum gates“) besonders gut und vollständig ausgemessen werden können.

Zu den Einsatzgebieten komplexer Quantensysteme gehören Probleme aus der Chemie, der Festkörper- oder der Hochenergiephysik. Sie sollen durch Quantencomputer simuliert werden, um ihre Eigenschaften besser erforschen zu können. Bisher existieren kleine Implementierungen mit wenigen „Qubits“, mit denen schon erste Rechenprobleme gelöst werden können.

Ein Qubit ist die kleinste Informationseinheit in einem Quantencomputer und besteht aus einem Quantensystem, das bei einer Messung zwei mögliche Ergebnisse liefern kann – also ein Bit –, aber nur auf Grundlage der Quantenmechanik vollständig beschreibbar ist. Aus je mehr Qubits sie aufgebaut werden, desto leistungsfähiger sollten die Quantencomputer werden, aber desto größeren Einfluss haben auch Fehlerquellen in Form von Rauschen.

Das Problem

Die Geräte funktionieren dann nicht mehr genau genug, um Rechenalgorithmen korrekt auszuführen. Die Stärke von Quantencomputern ist, dass sie sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze machen, so dass zum Teil Rechnungen parallelisiert werden können. Dies beruht auf dem Superpositionsprinzip, bei dem man Qubits wie Wellen überlagern und manipulieren kann. Insgesamt sind Quantencomputer noch nicht ausgereift, sondern selbst Gegenstand der Forschung.

Grundsätzlich ist das Rauschen als Fehlerquelle zwar verstanden, doch bei realen Implementierungen ist nicht klar, wie die einzelnen Komponenten und deren Fehlerbeiträge zusammenspielen. Wissenschaftler verschiedener Disziplinen versuchen deshalb, das Rauschen zu verstehen, um es kontrollieren oder dessen Einfluss minimieren zu können.

Juniorprofessor Kliesch erläutert die Schwierigkeit dabei: „Wir stehen vor zwei Herausforderungen: Zum einen wird selbst ein kleiner Quantencomputer mit nur einigen wenigen Qubits von einer großen Zahl von Parametern beschrieben. Und zum anderen sind unsere Werkzeuge, um die Systeme zu beschreiben, selbst fehlerbehaftet.“

Abhängigkeit der Probleme

Doch während bisherige Untersuchungen sich nur einem dieser beiden Probleme widmeten, haben Kliesch und Kollegen gleichzeitig beide angepackt. Sie haben hierzu zwei Methoden kombiniert, das „randomisierte Benchmarking“ und die „komprimierte Erfassung“ (englisch: compressed sensing). Damit kann man Quantencomputer vermessen, so dass zum einen die Messung die Geräte selbst nur wenig beeinflusst und zum anderen die Zahl der Messungen gering genug ist, um den Messaufwand zu begrenzen.

Die Forscher stellten ihre Ergebnisse jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ als „Editor’s Suggestion“ vor: I. Roth, R. Kueng, S. Kimmel, Y.-K. Liu, D. Gross, J. Eisert, and M. Kliesch, „Recovering quantum gates from few average gate fidelities“, Physical Review Letters 121, 170502, 24. Oktober 2018

Anmerkung 1: Der Matlab-Code und die Daten, die zur Erstellung dieser Diagramme verwendet wurden, finden sich auf Github.

* Dr. rer. nat. Arne Claussen arbeitet in der Stabsstelle Presse und Kommunikation der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

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