Quantencomputer auf Photonenbasis Physiker in China beanspruchen den Beweis für die Quantencomputer-Überlegenheit

Redakteur: Ulrike Ostler

Ein Forscherteam der University of Science and Technology in Hefei hat in der Zeitschrift „Science“ ein Experiment auf einem Quantencomputer veröffentlicht, mit dem es die Überlegenheit des Systems gegenüber Computern, die mit Bits und Bytes rechnen, beweisen könnte. Erreicht worden sei innerhalb weniger Minuten, was auf den derzeit besten Supercomputern die Hälfte des Alters der Erde dauern würde.

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Quantenüberlegenheit: Bis jetzt fehlt ein ununstrittener Beweise dafür, dass Quantencomputer heerkömmliche Bits-and-Bytes Rechner in ihrer Kapazität überflügeln können. Forscher aus Hefei, China, wollen ihn für einen relativ wenig spezialisierten Algorithus gefunden haben.
Quantenüberlegenheit: Bis jetzt fehlt ein ununstrittener Beweise dafür, dass Quantencomputer heerkömmliche Bits-and-Bytes Rechner in ihrer Kapazität überflügeln können. Forscher aus Hefei, China, wollen ihn für einen relativ wenig spezialisierten Algorithus gefunden haben.
(Bild: © sakkmesterke - stock.adobe.com)

Seit der Veröffentlichung von Google im Oktober 2019, zur so genannten Supremacy von Quantencomputern, die kurze Zeit später von IBM relativiert wurde, sind Beobachter vorsichtig geworden, was solche „Beweise“ angeht. Google verwendete Sie verwendeten ihr „Sycamore“-System, das 53 Quantenbits (Qubits) aus supraleitenden Schaltkreisen enthält bei ultra-niedrigen Temperaturen. Forscher bei IBM behaupteten allerdings, dass ihre klassischen Supercomputer im Prinzip bereits bestehende Algorithmen ausführen könnten, um dieselben Berechnungen in 2,5 Tagen durchzuführen - und nicht, wie Google veröffentlichte, in 10.000 Jahren.

Jian-Wei Pan, Mitglied des Uni-Teams des Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale bekräftigt indes, dass die Forscher unter „Ausnutzung der kontraintuitiven Funktionsweise der Quantenmechanik“ gezeigt hätten, dass es Photonen nutzen könne, um eine Quantenrechenleistung zu demonstrieren, die weit über die des klassischen Gegenstücks hinausgehe. Die von ihnen durchgeführte Berechnung - das so genannte Boson-Sampling-Problem – sei „nicht nur ein bequemes Vehikel zur Demonstration des Quantenvorteils, sondern auch eine potenziell praktische Anwendungen in der Graphentheorie, der Quantenchemie und dem maschinellen Lernen.

Der Science-Artikel

Im Abstract zu dem wissenschaftlichen Artikel heißt es: „Quantencomputer versprechen, bestimmte Aufgaben zu erfüllen, von denen man glaubt, dass sie für klassische Computer unlösbar sind. Boson-Sampling ist eine solche Aufgabe und wird als ein starker Kandidat angesehen, um den Vorteil der Quantenberechnung zu demonstrieren. Wir führen Gauß'sche Boson-Abtastung durch, indem wir 50 nicht unterscheidbare, gequetschte Einzelmodus-Zustände in ein 100-Modus-Interferometer mit ultraniedrigem Verlust, voller Konnektivität und Zufallsmatrix - der gesamte optische Aufbau ist phasenverriegelt - senden und die Ausgabe mit 100 hocheffizienten Einzelphotonen-Detektoren abtasten. Die erhaltenen Proben werden unter Ausnutzung thermischer Zustände, unterscheidbarer Photonen und gleichmäßiger Verteilung gegen plausible Hypothesen validiert.“

Der photonische Quantencomputer habe bis zu 76 Ausgangs-Photonenklicks erzeugt, was eine Ausgangs-Zustands-Raum-Dimension von 1030 und eine Abtastrate ergibt, die ~1014 schneller ist als bei Verwendung der modernsten Simulationsstrategie und Supercomputer.

Das Hefei-Team unter der Leitung von Pan und Chao-Yang Lu hat für seine Demonstration das Boson Sampling gewählt. Dieses wurde 2011 von den Informatikern, Scott Aaronson und Alex Arkhipov, damals am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, entwickelt. Es beinhaltet die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsverteilung vieler Bosonen - einer Kategorie von fundamentalen Teilchen, zu denen auch Photonen gehören -, deren Quantenwellen miteinander auf eine Art und Weise interferieren, die die Position der Teilchen im Wesentlichen randomisiert. Die Wahrscheinlichkeit, ein Boson an einer bestimmten Position nachzuweisen, lässt sich bei vielen Unbekannten aus einer Gleichung berechnen.

Aber die Berechnung ist in diesem Fall ein 'P-hartes Problem'. Für viele Dutzend von Bosonen zeigten Aaronson und Arkhipov, dass es keine klassische Abkürzung für die unmöglich lange Berechnung gibt.

Keine Umwege

Ein Quantencomputer kann jedoch diesen Quantenprozess direkt simulieren - er lässt die Bosonen interferieren und tastet die resultierende Verteilung ab. Um dies zu erreichen, haben Pan und seine Kollegen Photonen als ihre Qubits gewählt. Zudem haben sie nach eigenen Angaben Berechnungen bei Raumtemperatur ausgeführt.

Ausgehend von Laserpulsen sie die Information über die räumliche Position und die Polarisation bestimmter Photonenzustände koordiniert - die Orientierung der elektromagnetischen Felder der Photonen. Diese Zustände sind dann zusammengeführt worden, um miteinander zu interferieren und die Photonenverteilung zu erzeugen, die die Ausgabe darstellt. Das Team hat Photodetektoren verwendet, die in der Lage sind, einzelne Photonen zu registrieren, um diese Verteilung zu messen.

Wie in dem Science-Artikel beschrieben, habe es lediglich 200 Sekunden gebraucht, um Lösungen für das Bosonenabtastproblem zu finden. Die Forscher schätzen, dass diese Berechnungen auf dem chinesischen Supercomputer „Taihu Light“ 2,5 Milliarden Jahre dauern würden - ein Quantenvorteil von etwa 1014.

Dieser Photonencomputer führte in 200 Sekunden eine Berechnung durch, die auf einem gewöhnlichen Supercomputer 2,5 Milliarden Jahre dauern würde.

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