Quantenpyhsik Tirol
Quantencomputer löst auch alltagsrelevante Aufgaben - mit Video

Eine neue Methode ermöglicht leistungsfähige Quantensimulation auf heute verfügbarer Hardware.
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  • Eine neue Methode ermöglicht leistungsfähige Quantensimulation auf heute verfügbarer Hardware.
  • Foto: IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch
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TIROL. Die Quantenpyhsiker der Universität Innsbruck haben einen Simulationsrechner entwickelt, der auch für den Alltag relevante Aufgaben lösen kann.

Neue Methode ermöglicht die Nachbildung von Quantensystemen

Eine wichtige Frage bei der Arbeit in der Quantenphysik ist die Nutzung der Quantenüberlegenheit auf heute verfügbarer Hardware. Durch eine neue Methode konnte dies nun möglich gemacht werden. Das Team um Christian Kokail, Christine Maier, Rick van Bijnen und Christian Roos am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nützen einen programmierbaren Ionenfallen-Quantencomputer mit 20 Quantenbits als Quanten-Coprozessor. Damit können quantenmechanische Berechnungen, die an die Grenze klassischer Computer stoßen, ausgelagert werden. Das bedeutet, dass der Quantensimulator die rechenaufwendigen Quantenprobleme und der klassische Computer die restlichen Aufgaben übernimmt, so Christine Maier.

Vorteil der neuen Methode

Bei dieser neuen Methode wird der Quantensimulatur unabhängig vom untersuchten Problem verwendet. „So lassen sich auch komplexere Fragestellungen simulieren.“, so Rick van Bijnen. Der programmierbare Variations-Quantensimulator besteht aus einzelnen Bausteinen, die zusammengefügt werden können. Am klassischen Computer werden dann die Baustelle so justiert, bis sich der gesuchte Quantenzustand einstellt. Mit dieser neuen Methode konnte erstmals auf 20 Quantenbits die spontane Entstehung und Vernichtung von Elementarteilchen-Paaren im Vakuum simuliert werden. Gleichzeitig sind noch wesentlich größere Quantensimulationen möglich. Ziel ist nun ein Quantencomputer mit bis zu 50 Ionen.

Überprüfung der Simulationsergebnisse  

Ein großes Problem bei komplexen Quantensimulationen ist die Überprüfung der Simulationsergebnisse. Mit klassischen Computern können diese Berechnungen nicht überprüfen. Doch nun konnte dieses Problem gelöst werden: „Wir haben diese Frage erstmals durch zusätzliche Messungen im Quantensystem gelöst. Anhand der Ergebnisse beurteilt die Quantenmaschine die Qualität der Simulation“, erläutert Christian Kokail. So können die Simulationen auf 20 Quantenbits am klassischen Computer noch überprüft werden, jedoch ist dies bei komplexeren Simulationen nicht mehr möglich, so Rick van Bijnen:  „In unserem Experiment war das Quantenexperiment sogar schneller als die Kontrollsimulation am PC. Wir mussten diese am Ende aus dem Rennen nehmen, um das Experiment nicht auszubremsen.“

Verbindung von Experiment und Theorie

Möglich wurde der Erfolg durch die Verbindung von Experiment und Theorie. Hier trafen jahrelange, experimentelle Quantenforschung auf innovative, theoretische Theorien. „In diesem Experiment stecken 15 Jahre sehr harter Arbeit“, betont Experimentalphysiker Rainer Blatt. „Es ist sehr schön zu sehen, dass dies nun solche schönen Früchte trägt.“ Der Theoretische Physiker Peter Zoller ergänzt: „Wir in Innsbruck sind nicht nur führend bei der Zahl der verfügbaren Quantenbits, sondern jetzt auch in den Bereich der programmierbaren Quantensimulation vorgestoßen und konnten erstmals die Selbstverifikation eines Quantenprozessors zeigen. Mit diesem neuen Zugang bringen wir die Simulation von alltagsrelevanten Quantenproblemen in greifbare Nähe.“

Mehr zum Thema

Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht:
Video – Interview mit Christian Kokail

Video – Interview mit Christine Maier

Footage:


auf meinbezirk.at

Neues Verfahren bei Messungen mit Hilfe von Quantensimulatoren
Die Universität Innsbruck auf meinbezirk.at
Peter Zoller auf meinbezirk.at
Rainer Blatt auf meinbezirk.at

Eine neue Methode ermöglicht leistungsfähige Quantensimulation auf heute verfügbarer Hardware.
Rick van Bijnen, Christine Maier und Christian Kokail (v.l.)

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