Quantencomputer, Geräte, die Berechnungen unter Ausnutzung quantenmechanischer Phänomene durchführen, haben das Potenzial, klassische Computer bei einigen Aufgaben und Optimierungsproblemen zu übertreffen. In den letzten Jahren haben Forschungsteams sowohl an akademischen Institutionen als auch an IT-Unternehmen versucht, diese prognostizierte bessere Leistung für bestimmte Probleme zu realisieren, die allgemein als „Quantenvorteil“ bekannt ist.
Um zuverlässig nachzuweisen, dass ein Quantencomputer eine bessere Leistung als ein klassischer Computer erbringt, sollte man unter anderem präzise Messungen im Inneren des Computers sammeln und diese mit denen klassischer Computer vergleichen. Aufgrund der unterschiedlichen Natur dieser beiden Gerätetypen kann dies jedoch manchmal eine Herausforderung sein.
Forscher des NIST/University of Maryland, der UC Berkeley, des Caltech und anderer Institute in den Vereinigten Staaten haben kürzlich ein neues Protokoll eingeführt und getestet, das dabei helfen könnte, die Vorteile von Quantencomputern zuverlässig zu validieren. Dieses Protokoll, eingeführt in Naturphysikbasiert auf Mid-Circuit-Messungen und einer kryptografischen Technik.
„Die ultimative Inspiration hinter dieser Forschung ist meiner Meinung nach die Frage, ob die Rechenvorteile von Quantencomputern effizient validiert werden können“, sagte Daiwei Zhu, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Mit anderen Worten: Wenn Quantencomputer leistungsfähiger werden als jede klassische Simulation, wie können wir dann ihre Ergebnisse durch Kreuzverhöre validieren?
„Dies ist eine Herausforderung, vor der wahrscheinlich alle aktuellen Demonstrationen des Quantenvorteils stehen. Jüngste Durchbrüche haben eine Antwort auf diese Frage mithilfe der Idee des kryptografischen interaktiven Beweises gefunden.“
Bei kryptografischen interaktiven Beweisen handelt es sich im Wesentlichen um interaktive Protokolle, mit denen ein klassischer Computer über eine Reihe von Fragen und Anweisungen einen weitaus leistungsfähigeren Quantencomputer validieren kann. Die von Zhu und seinen Kollegen verwendeten Protokolle wurden erstmals in früheren Studien von Forschern der UC Berkeley vorgestellt (veröffentlicht in). Naturphysik) und Caltech (veröffentlicht in Zeitschrift der ACM). In ihrer jüngsten Studie führte Zhus Team mithilfe eines Ionenfallen-Quantencomputers einen Grundsatznachweis dieser Protokolle durch.
„Wir haben die Qubits während der interaktiven Berechnung entsprechend ihrer Funktion (in welchem Stadium müssen sie ausgelesen werden) in mehrere Segmente angeordnet“, erklärte Zhu. „In jeder Auslesephase trennen wir die Zielsegmente vom Rest der Qubits und transportieren sie weg, um das Auslesen durchzuführen. Auf diese Weise bleiben die in anderen Segmenten gespeicherten Kohärenz-/Quanteninformationen für den Rest der Berechnung erhalten.“
Das von Zhu und seinem Kollegen angewandte Verfahren führte zu Auslesungen der Zielsegmente (dh der Qubits, die sie untersuchen wollten). Diese Segmente wurden dann interaktiv mit durchgeführten Quantenberechnungen verglichen, um den Quantenvorteil zu validieren.
„Einerseits haben wir mithilfe langer Ionenketten erfolgreich Mid-Circuit-Messungen in beliebige Quantenschaltkreise mit ausreichend hoher Gesamtgenauigkeit integriert“, sagte Zhu. „Dies könnte auf viele andere interaktive Algorithmen angewendet werden. Andererseits verspricht unsere Demonstration, wenn sie geeignet auf größere Systeme skaliert wird, die effiziente Überprüfung des Quantenrechenvorteils.“
Die von diesem Forscherteam eingeführten und evaluierten neuen Protokolle weisen gegenüber anderen bestehenden Methoden zum Testen des Quantenvorteils bemerkenswerte Vorteile auf. Im Vergleich zum Shor-Algorithmus, der ebenfalls effizient verifizierbar ist, kann ihr Protokoll beispielsweise mit einer Größenordnung weniger Quantengatteroperationen implementiert werden.
Zukünftig könnte das neue interaktive Protokoll in anderen Experimenten implementiert und evaluiert werden. Darüber hinaus hoffen Zhu und seine Kollegen, zusätzliche interaktive Protokolle zu entwickeln, um andere Aspekte und Dimensionen des Quantencomputings zu bewerten.
„Aus theoretischer Sicht sind wir nun daran interessiert, interaktive Protokolle auf andere Aufgaben wie die Erzeugung zertifizierbarer Zufallszahlen, die Vorbereitung entfernter Zustände und die Verifizierung beliebiger Quantenberechnungen anzuwenden“, fügte Zhu hinzu. „Wir freuen uns auch darauf, mithilfe der Mittelschaltungsmessfunktion experimentell neue Phänomene wie Verschränkungsphasenübergänge zu erforschen und kohärente Rückkopplungsprotokolle einschließlich Quantenfehlerkorrektur zu demonstrieren.“
Mehr Informationen:
Daiwei Zhu et al., Interaktive kryptografische Quantenbeweise mithilfe von Mid-Circuit-Messungen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02162-9
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