Quantencomputer stehen kurz davor, bei speziellen Problemstellungen selbst die leistungsstärksten klassischen Computer zu übertreffen. Dabei stellt sich aber die Frage, ob man den Ergebnissen eines Quantencomputers vertrauen kann, wenn man sie nicht mit klassischen Methoden überprüfen kann. Notwendig sind daher andere Verfahren zur Verifikation: Physiker aus Wien und Innsbruck haben nun mit Kollegen eine Methode entwickelt, bei der andere Quantencomputer das Ergebnis verifizieren.

200 Sekunden oder 10.000 Jahre

Ein Forscherteam von Google rühmte sich 2019 damit, die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber den schnellsten klassischen Computern nachgewiesen zu haben. Der Quantenprozessor von Google brauchte für die Berechnung einer Aufgabe 200 Sekunden, für die ein klassischer Computer etwa 10.000 Jahre benötigt hätte. Auch wenn die von Google behauptete Quanten-Überlegenheit ("quantum supremacy") in Fachkreisen umstritten ist, ist eines klar: "Wir brauchen Verfahren zur Verifikation und Validierung, die zeigen, dass ein Quantenrechner tatsächlich mehr kann als ein klassischer Rechner", erklärte kürzlich der Innsbrucker Quantenphysiker Rainer Blatt.

Grund dafür ist die große Anfälligkeit von quantenphysikalischen Phänomenen wie Verschränkung und Überlagerung, auf denen sich der Vorteil von Quantencomputern stützt. Diese Phänomene sind überaus empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und Störungen können zu Fehlern in der Berechnung führen. Gesucht sind also Methoden, mit denen man verifizieren kann, ob ein Quanten-Chip eine komplexe Berechnung präzise ausgeführt hat. Und mit dieser Methode muss man das Ergebnis einer Berechnung überprüfen können, "ohne dass die richtige Antwort bekannt ist", so Chiara Greganti, die ihren PhD bei Philip Walther an der Universität Wien absolviert hat.

Versteckte Verbindung

Ein Team von Physikern aus Österreich, Singapur und Großbritannien hat nun im Fachjournal "PRX Quantum" eine Methode zur Lösung dieses Problems vorgestellt. "Wir lassen mehrere Quantencomputer zufällig aussehende Berechnungen durchführen", erklärt Martin Ringbauer von der Universität Innsbruck. Zwischen diesen Berechnungen gibt es eine versteckte Verbindung. "Obwohl die Ergebnisse jedes einzelnen Quantencomputers zufällig sind, müssen sie wegen der versteckten Verbindung in bestimmten Aspekten immer übereinstimmen", so Ringbauer. Stimmen sie darin überein, haben die Quantencomputer das Richtige berechnet.

Ein Vorteil der neuen Methode ist den Physikern zufolge, dass nicht das gesamte Ergebnis des Quantencomputers ausgelesen werden muss, was sehr zeitaufwändig sein kann. Es genüge zu überprüfen, wie oft sich die beiden Geräte einig sind, was auch noch für sehr große Quantencomputer machbar sei.

Methode für beliebige Hardware

Demonstriert haben die Wissenschafter ihre Methode an fünf auf unterschiedlichen technologischen Plattformen basierenden Quantencomputern, darunter Quantenrechner an den Universitäten Innsbruck und Wien. Dies zeige, dass Quantencomputer mit beliebiger Hardware gegeneinander getestet werden können. (APA, 14.9.2021)