Superposition von Quantengattern

Wissenschaftler haben ein neues Quantenrechenschema experimentell überprüft, bei dem verschiedene Reihenfolgen von Rechenoperationen gleichzeitig prozessiert werden. Sie nutzten diesen Effekt, um eine Aufgabe effizienter zu lösen als bisher. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in „Nature Communications“.

Zwei Ketten liegen in Schlaufen übereinander und laufen links über einen Klotz mit dem Buchstaben A und rechts über B.
Überlagerung der Quantengatter

Obwohl sie schwierig zu begreifen sind, können Quantenphänomene im Experiment beobachtet werden. Zudem haben Wissenschafter in den letzten Jahrzehnten gezeigt, dass Quanteneffekte für viele Anwendungen genutzt werden können: von sichererer Datenübertragung zu schnelleren Computern und Simulatoren von komplexen Quantensystemen.

Eine wichtige Anwendung von Quantentechnologie ist der Quantencomputer. Um eine nützliche Rechenoperation durchführen zu können, benötigt man eine ausreichende Menge an Quantengattern, den Grundbausteinen eines Quantencomputers. Ein Quantengatter ist eine elementare physikalische Manipulation der Qubits, also der Speichereinheit bei Quantencomputern. Diese werden in der Regel in einer bestimmten Abfolge geschaltet: ein Gatter nach dem anderen. Nun wurde jedoch entdeckt, dass die Quantenmechanik sozusagen eine Überlagerung der Quantengatter erlaubt, auch Superposition genannt. Das bedeutet, dass ein Set von Quantengattern in allen möglichen Abfolgen gleichzeitig geschaltet werden kann. Dieser Effekt kann dazu benutzt werden, die Gesamtanzahl der Gatter und somit den Rechenaufwand zu reduzieren.

In einer Superposition der Abfolge von Quantengattern ist es grundsätzlich unmöglich zu wissen, ob eine Rechenoperation vor einer anderen oder umgekehrt stattfindet. Das bedeutet, dass zwei Quantengatter A und B zur gleichen Zeit in beiden Abfolgen geschaltet werden können. In anderen Worten: Gatter A schaltet vor Gatter B und B schaltet vor A. Die Physiker entwickelten ein Experiment, in welchem die zwei Quantengatter in beiden Abfolgen auf Einzelphotonen angewandt wurden.

Die Ergebnisse ihres Experiments bestätigten, dass es aus Prinzip unmöglich herauszufinden ist, welches Gatter zuerst geschaltet wurde. „Tatsächlich konnten wir einen Quantenalgorithmus laufen lassen, der die Gatter effizienter als alle anderen bisher bekannten Algorithmen charakterisierte“, so Lorenzo Procopio, Erstautor der Studie. Aus einer einzelnen Messung am Photon prüften Procopio und Kollegen eine bestimmte Eigenschaft der beiden Quantengatter und bestätigten dadurch, dass die Gatter in beiden Abfolgen gleichzeitig geschaltet wurden. Sobald mehr Gatter zur Aufgabe hinzugefügt werden, wird die neue Methode im Vergleich zu bisherigen Techniken sogar noch effizienter. Damit hatten die Forscher die theoretisch diskutierte Superposition von Quantengattern nun im Labor umgesetzt.