Rechnen nach den Regeln der Quantenphysik

Quantencomputer arbeiten mit sogenannten Qubits, die mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen (Superposition) und miteinander verschränkt sein können. Dadurch eröffnen sich völlig neue Rechenmöglichkeiten – etwa in der Materialforschung, bei Optimierungsproblemen oder im maschinellen Lernen.

Das Problem: extreme Empfindlichkeit

„Doch Quantencomputer haben eine entscheidende Schwäche: Sie reagieren äußerst empfindlich auf kleinste Störungen aus ihrer Umgebung. Schon minimale Einflüsse können die fragile Quanteninformation zerstören – und damit den Rechenvorteil zunichtemachen“, sagt Eisert.

Daher setzt die Forschung derzeit entweder auf eine aufwendige Fehlerkorrektur mit zusätzlichen Qubits oder auf den Ansatz, auch ohne Korrektur möglichst effizient mit den fehleranfälligen Systemen zu rechnen.

Neue Studie zeigt die Grenzen von Quantencomputern

Diesen zweiten Ansatz hat Prof. Dr. Jens Eisert in einer interdisziplinären Arbeit an der Schnittstelle von theoretischer Physik und angewandter Mathematik mit Forschenden der Sorbonne Université in Paris, der University of Chicago, des Fraunhofer-Heinrich-Hertz-Instituts, der Universität Lyon, des Helmholtz-Zentrums Berlin und des Massachusetts Institut of Technology weiter erforscht.

Das Ergebnis: Unter sehr allgemeinen Bedingungen können Quantenrechner ohne Fehlerkorrektur nur begrenzt komplexe Berechnungen durchführen. Entscheidend ist die Qualität der einzelnen Rechenoperationen, die sogenannte Gatterfidelität. Diese gibt an, wie genau die antizipierte Operation von dem Quantengatter, analog zu einem logischen Gatter bei herkömmlichen Computern, durchgeführt wird. Ist diese hoch genug, lassen sich trotz der Einschränkungen durchaus große und praktisch relevante Berechnungen durchführen.

„Die Studie liefert damit nicht nur eine theoretische Grenze, sondern auch eine konkrete Orientierung für die Entwicklung von Quantencomputern“, betont Prof. Dr. Jens Eisert von der Freien Universität Berlin.

Publikation in Nature Physics: Noise-induced shallow circuits and the absence of barren plateaus  

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