Wie sich Quantencomputer festfahren
Warum selbst kleine Störungen Quantenrechnungen scheitern lassen
Forschende des HZDR zeigen, dass selbst schwache Umwelteinflüsse adiabatische Quantenrechner ausbremsen können. Mit wachsender Qubitzahl droht durch den Quantenzenoeffekt ein Stillstand der Berechnung.
Das Kühlsystem eines Quantencomputers hält die Quantenchips bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Erst unter diesen Bedingungen können sie ihre besonderen Quanteneigenschaften entfalten (künstlerische Darstellung).
B. Schröder/HZDR
Quantencomputer sollen komplexe Aufgaben schneller und mit geringerem Energiebedarf lösen als heutige Supercomputer. Mögliche Anwendungen reichen von der Optimierung logistischer Prozesse bis zur Simulation von Molekülen und Materialien. Mit steigenden Qubitzahlen wächst jedoch auch die Empfindlichkeit der Systeme gegenüber ihrer Umgebung.
Forschende des Helmholtz Zentrums Dresden Rossendorf zeigen im New Journal of Physics, dass der Quantenzенoeffekt adiabatische Quantenrechner bei zunehmender Skalierung stark verlangsamen kann. Im Extremfall kommt die Berechnung nahezu vollständig zum Stillstand. „Mit dem Quantum-Zeno-Effekt lauert bei einer bestimmten Klasse von Quantenrechnern eine Hürde, die bisher noch nicht gesehen wurde“, sagt Dr. Gernot Schaller, Leiter der Abteilung Quanteninformationstechnologie am HZDR-Institut für Theoretische Physik.
Adiabatische Quantencomputer folgen dem Grundzustand
Adiabatische Quantenrechner arbeiten nach einem anderen Prinzip als gatterbasierte Quantencomputer. Ihre Qubits befinden sich während der Berechnung möglichst durchgehend im Grundzustand, also im Zustand mit der geringsten Energie.
Zu Beginn bildet die Energielandschaft ein einfaches Ausgangsproblem ab. Anschließend verändert der Quantencomputer diese Landschaft schrittweise. Erfolgt die Veränderung langsam genug, passen sich die Qubits kontinuierlich an und verbleiben im jeweiligen Grundzustand. Am Ende entspricht dieser Zustand der Lösung der Rechenaufgabe.
„Adiabatische Algorithmen gelten als robust und können von Quantencomputern – weitgehend unabhängig von der genutzten Hardware – durchgeführt werden“, erläutert Institutsdirektor Prof. Ralf Schützhold. Das Prinzip lässt sich sowohl mit supraleitenden Schaltkreisen als auch mit einzelnen Ionen umsetzen, die in elektromagnetischen Fallen gehalten werden. Beide Ansätze werden bereits für adiabatische Berechnungen erprobt.
Umwelteinflüsse stören die Quantenzustände
Damit ein Quantencomputer rechnen kann, müssen die Qubits ihre quantenmechanischen Eigenschaften bewahren. Dazu gehören die Superposition verschiedener Zustände und die Verschränkung mehrerer Qubits. Elektromagnetische Strahlung, Wärme und andere Einflüsse aus der Umgebung können diese Zustände verändern. „Doch ein Quantencomputer kann nur erfolgreich rechnen, wenn seine Qubits nicht zu sehr gestört werden“, betont Schützhold.
Quantenchips werden deshalb abgeschirmt und auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Vollständig von ihrer Umgebung isolieren lassen sich die Qubits dennoch nicht. „Aber trotz aller Maßnahmen lässt sich der Einfluss der Umgebung auf die Qubits nie ganz ausschließen“, sagt Schützhold.
Nach dem theoretischen Modell des Forschungsteams nimmt die Empfindlichkeit adiabatischer Quantenrechner mit wachsender Qubitzahl zu. Je mehr Qubits miteinander gekoppelt sind, desto kleiner werden die Energieunterschiede, denen das System während der Berechnung folgen muss.
Störungen wirken wie wiederholte Messungen
Werden die Energieabstände sehr klein, können bereits schwache Störungen den Zustand der Qubits beeinflussen. Jede dieser Einwirkungen wirkt ähnlich wie eine Messung, die die natürliche Entwicklung des Quantensystems unterbricht. „Ab diesem Punkt schlägt der Quantum-Zeno-Effekt zu“, sagt Schaller.
Der Quantenzенoeffekt beschreibt, dass sich die Entwicklung eines Quantensystems durch sehr häufige Messungen verlangsamen oder vollständig unterdrücken lässt. Bei einem Quantencomputer müssen diese Messungen nicht gezielt erfolgen. Auch wiederkehrende Wechselwirkungen mit der Umgebung können eine vergleichbare Wirkung haben. „Jede dieser Störungen wirkt wie eine unerwünschte Messung und hält die Entwicklung des Systems auf“, so Schaller. „Im Extremfall könnte eine Berechnung sogar vollständig einfrieren.“
Das Forschungsteam vergleicht den Effekt mit einem Kuchen, der im Ofen aufgehen soll. Wird die Ofentür immer wieder geöffnet, unterbricht dies den Backprozess. In einem adiabatischen Quantenrechner verhindern häufige Störungen entsprechend, dass das System den für die Lösung benötigten Endzustand erreicht.
Schutzmaßnahmen müssen mit der Qubitzahl wachsen
Eine stärkere Abschirmung gegen Wärme und elektromagnetische Strahlung kann den Einfluss der Umgebung verringern. Nach Einschätzung der Forschenden reichen passive Schutzmaßnahmen bei größeren Systemen jedoch möglicherweise nicht aus.
Schützhold schlägt deshalb vor, zusätzlich aktive Verfahren einzusetzen. Dazu gehört die Spinechomethode, bei der gezielte kohärente Pulse unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Qubits und ihrer Umgebung teilweise ausgleichen. „Mit der sogenannten Spin-Echo-Methode ließe sich die Kopplung der Qubits an ihre Umgebung durch kohärente Pulse verringern.“
Solche Verfahren könnten verhindern, dass kleine Störungen den Rechenprozess wiederholt unterbrechen. Ihre Wirksamkeit muss jedoch mit der Zahl der Qubits und der Komplexität ihrer Kopplungen Schritt halten.
„Unsere Studie zeigt, dass sich leistungsfähige Quantencomputer nur entwickeln lassen, wenn der Einfluss der Umgebung von Anfang an mitgedacht wird“, fasst Schützhold zusammen.
