Bahnbrechender Algorithmus für genaue Qubit-Berechnung

Praktisches Quantencomputing ist ein weiterer Schritt näher.

Die Forscher stellten einen neuen Algorithmus namens Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) vor, der darauf abzielt, die Wechselwirkungen von Qubits mit ihrer Umgebung und die daraus resultierenden Änderungen ihres Quantenzustands zu untersuchen. Durch die Vereinfachung der Berechnung der Quantendynamik bietet dieser Algorithmus, der auf der Feynman-Interpretation der Quantenmechanik basiert, neue Möglichkeiten, Quantensysteme zu verstehen und zu nutzen. Zu den potenziellen Anwendungen gehören Fortschritte in der Quantentelefonie und im Computerwesen, die genauere Vorhersagen über Quantenkohärenz und -verschränkung ermöglichen.

Herkömmliche Computer verwenden zur Informationsübertragung Qubits, dargestellt durch Nullen und Einsen, während Quantencomputer stattdessen Quantenbits (Qubits) verwenden. Ähnlich wie Bits haben Qubits zwei Hauptzustände oder -werte: 0 und 1. Im Gegensatz zu einem Bit kann ein Qubit jedoch gleichzeitig in beiden Zuständen existieren.

Obwohl dies wie eine verblüffende Ironie erscheint, kann es durch eine einfache Analogie mit einer Münze erklärt werden. Ein klassisches Bit kann als ausgestreckte Münze dargestellt werden, deren Kopf oder Zahl (Eins oder Null) nach oben zeigt, während ein Qubit als sich drehende Münze betrachtet werden kann, die ebenfalls Kopf und Zahl hat, aber egal, ob es sich um Kopf oder Zahl handelt ermittelt werden, sobald es aufhört sich zu drehen, also seinen ursprünglichen Zustand verliert.

Wenn eine sich drehende Münze stoppt, kann dies als Analogie für eine Quantenanalogie dienen, bei der einer von zwei Zuständen eines Qubits bestimmt wird. In Quantitative Statistik, müssen verschiedene Qubits miteinander verknüpft werden, zum Beispiel müssen Zustände 0(1) eines Qubits eindeutig mit Zuständen 0(1) eines anderen Qubits verknüpft sein. Wenn die Quantenzustände von zwei oder mehr Objekten miteinander verbunden werden, spricht man von Quantenverschränkung.

Herausforderung der Quantenverschränkung

Die Hauptschwierigkeit beim Quantencomputing besteht darin, dass Qubits von einer Umgebung umgeben sind und mit dieser interagieren. Diese Wechselwirkung kann dazu führen, dass sich die Quantenverschränkung von Qubits verschlechtert und sie sich voneinander trennen.

Die Ähnlichkeit zweier Währungen kann helfen, dieses Konzept zu verstehen. Wenn zwei identische Münzen gleichzeitig gedreht und kurz darauf wieder ausgeschaltet werden, kann es sein, dass sie am Ende mit der gleichen Seite nach oben zeigen, egal ob Kopf oder Zahl. Diese Synchronisation zwischen Münzen kann mit einer Quantenverschränkung verglichen werden. Wenn sich die Münzen jedoch über einen längeren Zeitraum weiterdrehen, verlieren sie mit der Zeit die Synchronisierung und zeigen am Ende nicht mehr mit der gleichen Seite – Kopf oder Zahl – nach oben.

Ein Synchronisationsverlust tritt auf, weil rotierende Münzen nach und nach Energie verlieren, hauptsächlich aufgrund der Reibung mit dem Tisch, und jede Münze tut dies auf einzigartige Weise. Im Quantenbereich führt Reibung oder der Energieverlust aufgrund der Wechselwirkung mit der Umgebung schließlich zur Quantendekohärenz, was einen Verlust der Synchronisation zwischen Qubits bedeutet. Dies führt zu einer Dephasierung der Qubits, bei der sich die Phase des Quantenzustands (dargestellt durch den Drehwinkel der Münze) im Laufe der Zeit zufällig ändert, was zu einem Verlust von Quanteninformation führt und Quantencomputing unmöglich macht.

Die effektive Darstellung wird völlig automatisch ermittelt und basiert nicht auf Näherungen oder vorgefassten Annahmen. Bildnachweis: Alexei Vagov

Quantenkohärenz und Dynamik

Die größte Herausforderung für viele Forscher besteht heute darin, die Quantenkohärenz über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten. Dies kann erreicht werden, indem die Entwicklung eines Quantenzustands im Laufe der Zeit, auch Quantendynamik genannt, genau beschrieben wird.

Wissenschaftler des MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials haben in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Deutschland und dem Vereinigten Königreich einen Algorithmus namens Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) als Lösung vorgeschlagen, um die Interaktion von Qubits mit ihrer Umgebung und die daraus resultierenden Veränderungen zu untersuchen in ihrem Quantenzustand im Laufe der Zeit.

Ein Einblick in die Quantendynamik

„Die nahezu unendliche Zahl an Schwingungsmoden oder Freiheitsgraden in der Umgebung macht die Berechnung der Quantendynamik besonders schwierig. Tatsächlich geht es bei dieser Aufgabe darum, die Dynamik eines einzelnen Quantensystems zu berechnen, während es von Billionen anderer umgeben ist. Eine direkte Berechnung ist hier nicht möglich.“ Fall, da kein Computer damit umgehen kann.

Allerdings sind nicht alle Veränderungen in der Umwelt von gleicher Bedeutung: Veränderungen, die in ausreichender Entfernung von unserem Quantensystem stattfinden, können dessen Dynamik nicht wesentlich beeinflussen. Die Einteilung in ‚relevante‘ und ‚irrelevante‘ Umweltfreiheitsgrade liegt unserer Methode zugrunde“, sagt Alexei Vagof, Co-Autor des Papiers und Direktor des MIEM HSE Center for Quantitative Metamaterials.

Feynman-Interpretation und der ACE-Algorithmus

Gemäß der vom berühmten amerikanischen Physiker Richard Feynman vorgeschlagenen Interpretation der Quantenmechanik umfasst die Berechnung des Quantenzustands eines Systems die Berechnung der Summe aller möglichen Wege, auf denen dieser Zustand erreicht werden kann. Diese Erklärung geht davon aus, dass sich ein Quantenteilchen (das System) in alle möglichen Richtungen bewegen kann, einschließlich vorwärts oder rückwärts, rechts oder links und sogar in der Zeit zurück. Um den Endzustand des Teilchens zu berechnen, müssen die Quantenwahrscheinlichkeiten aller dieser Trajektorien addiert werden.

Das Problem besteht darin, dass es selbst für ein einzelnes Teilchen viele mögliche Flugbahnen gibt, ganz zu schweigen von der gesamten Umgebung. Unser Algorithmus ermöglicht es, nur Pfade zu berücksichtigen, die wesentlich zur Qubit-Dynamik beitragen, und gleichzeitig diejenigen zu eliminieren, die vernachlässigbar sind. Bei unserer Methode wird die Entwicklung des Qubits und seiner Umgebung durch Tensoren erfasst, bei denen es sich um Matrizen oder Zahlentabellen handelt, die den Zustand des gesamten Systems zu verschiedenen Zeitpunkten beschreiben. Anschließend wählen wir nur die Teile der Tensoren aus, die für die Dynamik des Systems relevant sind“, erklärt Alexey Vagov.

Fazit: Implikationen des ACE-Algorithmus

Die Forscher behaupten, dass der automatisierte Komprimierungsalgorithmus für beliebige Umgebungen öffentlich verfügbar und als Computercode implementiert ist. Den Autoren zufolge eröffnet es völlig neue Möglichkeiten für die genaue Berechnung der Dynamik mehrerer Quantensysteme. Insbesondere ermöglicht diese Methode die Abschätzung der Zeit bis zur Verschränkung Photon Paare in Quantentelefonleitungen werden entwirrt, d. h. wie weit sich ein Quantenteilchen teleportieren kann oder wie lange es dauern kann, bis die Qubits eines Quantencomputers ihre Kohärenz verlieren.

Referenz: „Simulation offener Quantensysteme durch automatisierte Komprimierung zufälliger Umgebungen“ von Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling und Eric M. Guger, 24. März 2022, verfügbar Hier. Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9