Ein neues Protokoll zur zuverlässigen Demonstration des Vorteils von quantenbasierten Berechnungen

30. August 2023 Merkmal

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Quantencomputer, Geräte, die Berechnungen unter Ausnutzung quantenmechanischer Phänomene durchführen, haben das Potenzial, in einigen Aufgaben und Optimierungsproblemen klassische Computer zu übertreffen. In den letzten Jahren versuchen Forschungsteams an akademischen Einrichtungen und IT-Unternehmen die vorhergesagte bessere Leistung für bestimmte Probleme zu realisieren, was allgemein als "Quantenvorteil" bekannt ist.

Um zuverlässig zu demonstrieren, dass ein Quantencomputer besser als ein klassischer Computer funktioniert, sollte man unter anderem präzise Messungen im Inneren des Computers sammeln und sie mit denen vergleichen, die in klassischen Computern gesammelt wurden. Dies kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Natur dieser beiden Arten von Geräten manchmal herausfordernd sein.

Forscher der NIST/University of Maryland, UC Berkeley, Caltech und anderer Institute in den Vereinigten Staaten haben kürzlich ein neues Protokoll vorgestellt und getestet, das helfen könnte, den Vorteil von Quantencomputern zuverlässig zu validieren. Dieses Protokoll, das in Nature Physics vorgestellt wurde, beruht auf Messungen in der Mitte des Schaltkreises und einer kryptografischen Technik.

'Die ultimative Inspiration für diese Forschung ist meiner Meinung nach die Frage, ob die von Quantencomputern bereitgestellten Rechenfortschritte effizient validiert werden können', sagte Daiwei Zhu, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, zu Phys.org. 'Mit anderen Worten, wenn Quantencomputer leistungsfähiger werden als jede klassische Simulation, wie können wir die Ausgabe mit Gegenüberstellungen validieren?

'Dies ist eine Herausforderung, der sich wahrscheinlich alle aktuellen Demonstrationen von Quantenvorteilen stellen. Durch jüngste Durchbrüche wurde auf diese Frage eine Antwort gefunden, indem die Idee eines kryptografischen interaktiven Beweises verwendet wurde.'

Kryptografische interaktive Beweise sind im Wesentlichen interaktive Protokolle, durch die ein klassischer Computer einen weitaus leistungsfähigeren Quantencomputer über eine Reihe von Fragen und Anweisungen validieren kann. Die von Zhu und seinen Kollegen verwendeten Protokolle wurden erstmals in früheren Studien von Forschern der UC Berkeley (veröffentlicht in Nature Physics) und Caltech (veröffentlicht im Journal of the ACM) vorgestellt. In ihrer aktuellen Studie führte Zhus Team eine Machbarkeitsdemonstration dieser Protokolle durch, unter Verwendung eines Ionenfallen-Quantencomputers.

'Wir haben die Qubits entsprechend ihrer Funktionen (in welcher Phase müssen sie ausgelesen werden) während der interaktiven Berechnung in mehrere Segmente angeordnet', erklärte Zhu. 'In jedem Auslesestadium haben wir die Zielsegmente von den anderen Qubits getrennt und weggebracht, um die Auslese durchzuführen. Auf diese Weise bleibt die Kohärenz/quantenmechanische Information in anderen Segmenten für den Rest der Berechnung erhalten.'

Das Verfahren, das Zhu und sein Kollege befolgten, lieferte Ausleseergebnisse der Zielsegmente (d.h., der Qubits, die sie interessierten). Diese Segmente wurden dann interaktiv mit den durchgeführten Quantenberechnungen überprüft, um den Quantenvorteil zu validieren.

'Einerseits haben wir Mid-Circuit-Messungen erfolgreich in beliebige Quantenschaltkreise mit hinreichender Gesamtfidelität implementiert, indem wir lange Ionenketten verwendet haben', sagte Zhu. 'Dies könnte auf viele andere interaktive Algorithmen angewendet werden. Andererseits verspricht unsere Demonstration bei geeigneter Skalierung auf größere Systeme die effiziente Überprüfung des quantenmechanischen Rechenvorteils.'

Die von diesem Forscherteam eingeführten und bewerteten neuen Protokolle weisen deutliche Vorteile gegenüber anderen vorhandenen Methoden zur Prüfung des Quantenvorteils auf. Im Vergleich zum Shor-Algorithmus, der ebenfalls effizient verifizierbar ist, kann ihr Protokoll mit einer Größenordnung weniger Quantengatteroperationen implementiert werden.

In Zukunft könnte das neue interaktive Protokoll in anderen Experimenten implementiert und bewertet werden. Darüber hinaus hoffen Zhu und seine Kollegen, weitere interaktive Protokolle zu entwickeln, um andere Aspekte und Dimensionen der Quantenberechnung zu bewerten.

'Aus theoretischer Sicht interessieren wir uns jetzt dafür, interaktive Protokolle auf andere Aufgaben anzuwenden wie zertifizierbare Zufallszahlengenerierung, Remotezustandsvorbereitung und Überprüfung beliebiger Quantenberechnungen', fügte Zhu hinzu. 'Experimentell sind wir auch begeistert, neue Phänomene wie Verschränkungsphasenübergänge sowie die Demonstration kohärenter Rückkopplungsprotokolle, einschließlich der Fehlerkorrektur bei Quantensystemen, zu erforschen.'

Journal information: Nature Physics

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