Kann cloudbasiertes Quantencomputing wirklich einen Quantenvorteil bieten?

Eine Quantenmaschine kann bestimmte Arten von Berechnungen drastisch beschleunigen, aber nur, wenn zwei oder mehr Quantenbits in der Maschine verschränkt sind – das heißt, sie können trotz ihrer Trennung ein ähnliches Verhalten zeigen.

Jiheon Seong und Joonwoo Bae vom Korea Advanced Institute of Science and Technology suchten nach einer Möglichkeit für Benutzer cloudbasierter Quantencomputerdienste, die Verschränkung von Qubits zu erkennen, und entwickelten und testeten einen Verschränkungszeugenschaltkreis. Es funktioniert, um die Verschränkung zu zertifizieren, selbst wenn der cloudbasierte Dienst nur eine begrenzte Kontrolle über die Maschine ermöglicht. Ihre Forschung wurde veröffentlicht in Intelligentes Rechnen.

Forscher wollen Schaltkreise bauen, die eine Verschränkung zwischen Qubits erzeugen. Bis sie jedoch einen Schaltkreis verwenden, wissen sie nicht, ob es sich um einen Schaltkreis handelt, der eine Verschränkung erzeugt, oder nicht. Es kann ein kostspieliges Verfahren namens Quantentomographie durchgeführt werden, oder der Forscher kann einen Verschränkungszeugen heranziehen. Der Verschränkungszeuge ist eine mathematische Funktion, die zwei spezifische Qubits und ihre Zustände in Beziehung setzt. Der Wert seines Ausgangs signalisiert, ob die Zustände der Qubits verschränkt oder trennbar sind.

Leider ist es nicht immer möglich, einen Verschränkungszeugen ohne direkten Zugriff auf die Quantenmaschine zu verwenden. In einer Laborumgebung und im cloudbasierten Quantencomputerdienst IBMQ kann ein Forscher auswählen, welche Hardware-Qubits der Maschine einer Schaltung zugewiesen werden sollen. Beim Cloud-basierten Quantencomputing-Dienst IonQ verfügt der Benutzer nicht über dieses Maß an Kontrolle und kann daher nicht sicher sein, dass er die richtigen Werte für die Berechnung der Ausgabe der Verschränkungszeugenfunktion erhält.

Der einzige Beitrag eines Forschers zu den Cloud-Diensten IBMQ und IonQ ist ein Quantenschaltkreis. Um dieser Einschränkung zu begegnen, haben Seong und Bae spezielle Verschränkungszeugenschaltungen entwickelt, die die Verschränkungszeugenstrategie verwenden, um das Vorhandensein verschränkter Qubits zu bestätigen. Forscher können diese Schaltkreise verwenden, um Verschränkungen zu erkennen, indem sie nur die vom Dienst ausgegebenen Messstatistiken verwenden.

Sie müssen nicht in der Lage sein, die Qubit-Zuteilung zu steuern. Verschränkungszeugenschaltkreise ermöglichen es Forschern, mithilfe von Cloud-Computing eine „wesentliche Anforderung“ bei der Suche nach Quantenvorteilen zu erfüllen.

Darüber hinaus basieren die neuen Verschränkungszeugenschaltungen auf einem kürzlich entwickelten Framework namens EW 2.0, das bei der Erkennung von Verschränkungen doppelt so effizient ist.

Seong und Bae beschreiben die Verschränkungserkennung für Schaltkreise zur Erzeugung von Verschränkungen mit zwei und drei Qubits, skizzieren zwei Schemata für den Aufbau von Verschränkungszeugenschaltkreisen für Schaltkreise zur Erzeugung von Verschränkungen und teilen Ergebnisse von Experimenten mit den cloudbasierten Quantencomputerdiensten IBMQ und IonQ.