Quantencomputer überprüfen sich gegenseitig

Woher wissen wir, ob ein Quantencomputer die richtige Antwort auf eine Frage liefert, die mit keinem anderen Computer beantwortet werden kann? Dieser Herausforderung widmete sich nun ein Team von Forscher*innen der Universitäten Wien, Innsbruck, Oxford und Singapur, und zeigte wie sich Quantencomputer gegenseitig in der Spur halten können.

Mit ihrer rasanten Entwicklung kratzen Quantencomputer schon heute an den Grenzen unserer besten Supercomputer. Mit ihrer hohen Rechenleistung sind diese Geräte aber auch sehr anfällig für Umwelteinflüsse, welche zu Fehlern in der Berechnung führen können. Besonders problematisch sind solche Fehler, wenn die Berechnungen so komplex werden, dass sie nicht mehr auf klassischen Computern überprüft werden können. "Um Quantencomputer dennoch verlässlich einsetzen zu können, benötigt es eine Methode, mit der das Ergebnis der Berechnungen überprüft werden kann, ohne dass die richtige Antwort bekannt ist", sagt Chiara Greganti von der Universität Wien.

Forscher*innen lassen Quantencomputer gegeneinander antreten
Ein Team von Physiker*innen aus Österreich, Singapur und Großbritannien löst dieses Problem indem sie Quantencomputer gegeneinander antreten lassen. "Wir lassen mehrere Quantencomputer zufällig aussehende Berechnungen durchführen", erklärt Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck. "Was die Geräte allerdings nicht wissen ist, dass es eine versteckte Verbindung zwischen diesen Berechnungen gibt." Die Forscher*innen verwenden dabei komplexe verschränkte Quantenzustände, aus denen sich viele unterschiedliche Berechnungen ableiten lassen. "Obwohl die Ergebnisse jedes einzelnen Quantencomputers zufällig sind, müssen sie wegen der versteckten Verbindung in bestimmten Aspekten immer übereinstimmen", erklärt Martin Ringbauer. Stimmen die Ergebnisse überein, so haben die Computer das Richtige berechnet.

Ein einfacher, aber effizienter Trick
Das internationale Forschungsteam demonstrierte die neue Methode an fünf aktuellen, auf unterschiedlichen technologischen Plattformen basierenden Quantencomputern, darunter Geräte an den Universitäten Innsbruck und Wien. Dies zeigt, dass Quantencomputer mit beliebiger Hardware gegeneinander getestet werden können. Stimmen die Ergebnisse der unterschiedlichen Berechnungen auf den Computern überein, so haben sie auch das Richtige berechnet. Ein wichtiges Merkmal dieser neuen Methode ist, dass nicht das gesamte Ergebnis des Quantencomputers ausgelesen werden muss, was sehr zeitaufwändig sein kann. "Es genügt zu überprüfen, wie oft sich die beiden Geräte einig sind, was auch noch für sehr große Quantencomputer machbar ist", sagt Tommaso Demarie von Entropica Labs in Singapur. Dadurch kann diese einfache Methode direkt auf die Vielzahl aktueller und zukünftiger Quantencomputer angewendet werden.

Finanziell gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, dem österreichischen Wissenschaftsministerium und der Europäischen Union.

Publikation in Physical Review X:
Cross-verification of independent quantum devices. C. Greganti, T. F. Demarie, M. Ringbauer, J. A. Jones, V. Saggio, I. A. Calafell, L. A. Rozema, A. Erhard, M. Meth, L. Postler, R. Stricker, P. Schindler, R. Blatt, T. Monz, P. Walther, and J. F. Fitzsimons. Physical Review X 2021 DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031049