Wissenschaftler haben den ACE-Algorithmus entwickelt, um Qubit-Wechselwirkungen und Änderungen in ihrem Quantenzustand zu untersuchen, wodurch die Berechnung der Quantendynamik vereinfacht und der Weg für Fortschritte im Quantencomputer und in der Telefonie geebnet wird.
Praktisches Quantencomputing ist ein weiterer Schritt näher.
Forscher haben einen neuartigen Algorithmus namens Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) eingeführt, mit dem die Wechselwirkungen von Qubits mit ihrer Umgebung und die daraus resultierenden Änderungen ihres Quantenzustands untersucht werden sollen. Durch die Vereinfachung der Berechnung der Quantendynamik bietet dieser Algorithmus, der auf Feynmans Interpretation der Quantenmechanik basiert, neue Möglichkeiten zum Verständnis und zur Nutzung von Quantensystemen. Zu den potenziellen Anwendungen gehören Fortschritte in der Quantentelefonie und -informatik, die genauere Vorhersagen über Quantenkohärenz und -verschränkung ermöglichen.
Herkömmliche Computer verwenden zur Übertragung von Informationen Bits, 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 ein verwirrendes Paradoxon erscheinen mag, kann es durch eine einfache Analogie mit einer Münze erklärt werden. Ein klassisches Bit kann als eine Münze dargestellt werden, die mit Kopf oder Zahl (Eins oder Null) nach oben liegt, während ein Qubit als sich drehende Münze betrachtet werden kann, die ebenfalls Kopf und Zahl hat, aber egal, ob Kopf oder Zahl nach oben zeigt erst dann bestimmt werden, wenn es aufhört sich zu drehen, also seinen ursprünglichen Zustand verliert.
Wenn eine sich drehende Münze stoppt, kann dies als Analogie für eine Quantenmessung dienen, bei der einer der beiden Zustände des Qubits ausgewählt wird. In Quanten-Computingmüssen verschiedene Qubits miteinander verknüpft werden, z. B. müssen die Zustände 0 (1) eines Qubits eindeutig mit den Zuständen 0 (1) eines anderen Qubits korreliert sein. Wenn die Quantenzustände von zwei oder mehr Objekten korrelieren, spricht man von Quantenverschränkung.
Die 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, was zu ihrer Entflechtung voneinander führt.
Eine Analogie mit zwei Münzen kann zum Verständnis dieses Konzepts beitragen. Wenn zwei identische Münzen gleichzeitig gedreht und dann nach einer kurzen Zeit gestoppt werden, kann es sein, dass beide mit der gleichen Seite nach oben, entweder mit der Kopf- oder der Zahlseite, enden. Diese Synchronizität zwischen sich drehenden Münzen kann mit einer Quantenverschränkung verglichen werden. Wenn sich die Münzen jedoch über einen längeren Zeitraum weiterdrehen, verlieren sie irgendwann die Synchronität und zeigen nicht mehr mit der gleichen Seite – Kopf oder Zahl – nach oben.
Der Verlust der Synchronität entsteht dadurch, dass die sich drehenden Münzen allmählich Energie verlieren, hauptsächlich aufgrund der Reibung mit dem Tisch, und jede Münze tut dies auf einzigartige Weise. In der Quantenwelt führt Reibung oder der Energieverlust aufgrund der Wechselwirkung mit der Umgebung schließlich zu Quantendekohärenz, also einem Verlust der Synchronität zwischen Qubits. Dies führt zu einer Qubit-Dephasierung, 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 Identifizierung einer effizienten Darstellung erfolgt vollautomatisch und beruht nicht auf a priori-Annäherungen oder Annahmen. Bildnachweis: Alexei Vagov
Quantenkohärenz und Dynamik
Eine zentrale Herausforderung für viele Forscher besteht heute darin, die Quantenkohärenz über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten. Dies kann durch eine genaue Beschreibung der zeitlichen Entwicklung des Quantenzustands, auch Quantendynamik genannt, erreicht werden.
Wissenschaftler des MIEM HSE Centre 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 zur Untersuchung der Interaktion von Qubits mit ihrer Umgebung und der daraus resultierenden Veränderungen vorgeschlagen ihren Quantenzustand im Laufe der Zeit.
Einblick in die Quantendynamik
„Die nahezu unendliche Anzahl an Schwingungsmoden oder Freiheitsgraden in der Umgebung macht die Berechnung der Quantendynamik zu einer besonderen Herausforderung. 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 in diesem Fall nicht möglich, 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 Vagov, Co-Autor des Papiers und Direktor des MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials.
Feynmans 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 Interpretation geht davon aus, dass sich ein Quantenteilchen (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 Flugbahnen addiert werden.
„Das Problem ist, dass es selbst für ein Teilchen zu viele mögliche Flugbahnen gibt, geschweige denn für die gesamte Umgebung. Unser Algorithmus ermöglicht es, nur die Trajektorien zu berücksichtigen, die wesentlich zur Dynamik des Qubits beitragen, während diejenigen mit vernachlässigbaren Beiträgen verworfen werden. Bei unserer Methode wird die Entwicklung eines 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 Alexei Vagov.
Fazit: Implikationen des ACE-Algorithmus
Die Forscher betonen, dass der Algorithmus zur automatisierten Komprimierung beliebiger Umgebungen öffentlich verfügbar und als Computercode implementiert ist. Den Autoren zufolge eröffnet es völlig neue Möglichkeiten für die präzise Berechnung der Dynamik mehrerer Quantensysteme. Insbesondere ermöglicht diese Methode die Abschätzung der Zeit bis zur Verschränkung Photon Paare in Quantentelefonleitungen werden entwirrt, die Entfernung, bis zu der ein Quantenteilchen „teleportiert“ werden kann, oder wie lange es dauern kann, bis die Qubits eines Quantencomputers ihre Kohärenz verlieren.
Referenz: „Simulation offener Quantensysteme durch automatisierte Komprimierung beliebiger Umgebungen“ von Moritz Cygorek, Michael Cosacchi, Alexei Vagov, Vollrath Martin Axt, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling und Erik M. Gauger, 24. März 2022, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9