Wie sich Quantencomputer festfahren
Der Quantum-Zeno-Effekt bedroht Skalierung
Mehr Qubits sollen Quantencomputer leistungsfähiger machen. Doch ausgerechnet die Skalierung könnte adiabatische Quantenrechner ausbremsen: Forschende des HZDR zeigen, dass der Quantum-Zeno-Effekt Rechenprozesse im Extremfall nahezu zum Stillstand bringen kann.
Quantencomputer versprechen, komplexe Probleme schneller und energieeffizienter zu lösen als heutige Supercomputer – von der Optimierung logistischer Abläufe bis zur Simulation von Molekülen. Mit der steigenden Zahl ihrer Recheneinheiten, den Qubits, rückt dieses Ziel näher. Doch neben den technischen Herausforderungen der Skalierung droht ein bislang kaum beachtetes Problem: Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf zeigen im New Journal of Physics, dass der sogenannte Quantum-Zeno-Effekt Rechenprozesse mit wachsender Qubit-Zahl im Extremfall nahezu zum Stillstand bringen kann – ein Phänomen, das sich mit dem gefürchteten »Festfahren« klassischer Computer vergleichen lässt.
»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. Diese sogenannten adiabatischen Quantenrechner arbeiten nach einem besonderen Prinzip: Ihre Qubits befinden sich stets im Grundzustand, also im Zustand der geringsten Energie. Um eine Rechenaufgabe zu lösen, wird die Energielandschaft der Qubits schrittweise verändert – so langsam, dass sie sich kontinuierlich anpassen und dem jeweils neuen Grundzustand folgen können. Ist die Umgestaltung abgeschlossen, enthält der Grundzustand unmittelbar die Lösung der Aufgabe.
»Adiabatische Algorithmen gelten als robust und können von Quantencomputern – weitgehend unabhängig von der genutzten Hardware – durchgeführt werden«, erläutert Institutsdirektor Prof. Ralf Schützhold. Es spielt also keine Rolle, ob die Qubits mit festen Supraleitern oder mit einzelnen, in elektromagnetischen Fallen eingefangenen Ionen erzeugt werden. Beide Hardware-Varianten werden bereits genutzt, um adiabatische Algorithmen zu erproben, die sich aus heutiger Sicht elegant und vergleichsweise einfach programmieren lassen.
Wenn Störungen zum Problem werden
»Doch ein Quantencomputer kann nur erfolgreich rechnen, wenn seine Qubits nicht zu sehr gestört werden«, betont Schützhold. Davor schützen Abschirmungen gegen elektromagnetische Strahlung und eine Kühlung bis nahe an den absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius. Nur dann können Qubits alle möglichen Zustände zwischen Null und Eins einnehmen – die sogenannte Superposition. Auch ihre quantenphysikalische Kopplung, die Verschränkung, reagiert empfindlich auf äußere Störungen. Erst das Zusammenspiel von Superposition und Verschränkung ermöglicht die extrem schnelle Lösung komplexer Aufgaben.
»Aber trotz aller Maßnahmen lässt sich der Einfluss der Umgebung auf die Qubits nie ganz ausschließen«, sagt Schützhold. Nach dem theoretischen Modell von Schützholds Team reagieren adiabatische Quantenrechner mit zunehmender Skalierung, also einer wachsenden Zahl von Qubits, immer empfindlicher auf solche Störungen. Denn je mehr Qubits miteinander gekoppelt werden, desto kleiner werden die Änderungen der Energielandschaft, denen sie folgen müssen. »Ab diesem Punkt schlägt der Quantum-Zeno-Effekt zu«, sagt Schaller. Schon winzige Einwirkungen aus der Umgebung reichen dann aus, um die Quantenzustände der Qubits zu beeinflussen. »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.«
Ein Vergleich mit dem Kuchenbacken macht das Prinzip anschaulich: Damit ein Kuchen gelingt, muss er im Ofen ungestört aufgehen. Wer ständig die Ofentür öffnet, um nachzusehen, ob er schon fertig ist, stört den Backprozess – der Kuchen bleibt flach oder fällt zusammen. Ähnlich verhält es sich beim Quantum-Zeno-Effekt: Jede Störung unterbricht die natürliche Entwicklung des Quantenzustands. Geschieht das zu häufig, erreicht er den gewünschten Endzustand nicht mehr. Im Extremfall kommt der Rechenprozess nahezu zum Stillstand.
Dem Quantum-Zeno-Effekt sind Entwickler*innen von Quantencomputern jedoch nicht hilflos ausgeliefert. Neben einer möglichst wirksamen Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung und Wärme – im Kuchenbild entspräche das einem Vorhängeschloss am Ofen – schlägt Schützhold auch aktive Schutzmaßnahmen vor. »Mit der sogenannten Spin-Echo-Methode ließe sich die Kopplung der Qubits an ihre Umgebung durch kohärente Pulse verringern.« Im Kuchenvergleich entspräche das einem Ofen, der jede Öffnung der Ofentür durch kurzfristiges, schnelles Aufheizen ausgleicht. »Unsere Studie zeigt, dass sich leistungsfähige Quantencomputer nur entwickeln lassen, wenn der Einfluss der Umgebung von Anfang an mitgedacht wird«, fasst Schützhold zusammen.