Qualitätskontrolle für Quantensimulatoren
In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler beeindruckende Fortschritte bei der Entwicklung eines universellen Quantencomputers gemacht. Allerdings ist ein solches Gerät, das Probleme in einem Bruchteil der von den weltweit schnellsten Supercomputern benötigten Zeit lösen kann, bei weitem noch nicht realisierbar. Eine Art Zwischenstufe ist heute aber in greifbare Nähe gerückt: Quantensimulatoren. Durch die Ausnutzung von Quantenphänomenen können diese Geräte spezielle Aufgaben lösen, die mit konventionellen Methoden nicht effizient verarbeitet werden können. Mit der Unterstützung der EU entwickelten Wissenschaftler eine neue Zertifizierungsmethode für photonische Quantensimulatoren. Diese steuerbaren Vielteilchensysteme nutzen die quantenmechanischen Eigenschaften von Photonen, etwa Verschränkung und Überlagerung, um Einblicke in andere Quantensysteme zu liefern. Ziel des Projekts REQS (Reliable quantum simulators) war es, sicherzustellen, dass sie so funktionieren, wie sie sollen. Die Wissenschaftler untersuchten die Leistung von kleinen Photonen-Quantensimulationen des Kühlprozesses eines Hamilton-Systems unter realistischen Laborbedingungen. Die Robustheit von Quantensimulationen von Boson-Sampling, die eine Abkürzung auf dem Weg zu mehr Geschwindigkeit für das Quantencomputing bieten könnten, wurde ebenfalls bewertet. Boson-Sampling involviert ein Netzwerk von Strahlteilern, das einen Satz von eingehenden Photonen an Eingangsports in einen zweiten Satz von, die durch eine Anzahl von Ausgangsports ausgesandt werden, umwandelt. Die Aufgabe des linear-optischen Quantennetzwerks ist es, die Wahrscheinlichkeit auszuarbeiten, mit der eine bestimmte Eingangskonfiguration zu einem bestimmten Ausgang führt. Die ziemlich einfache und doch mathematisch rigorose Methode für die zuverlässige Zertifizierung einer breiten Familie von photonischen Quantensimulatoren wurde auf dieser Basis entwickelt. Die Wissenschaftler leiteten die untere Grenze für die Genauigkeit für Multi-Boson-Zustände ab und führten den Begriff des Nullifier für einen nicht-Gaußschen-Zustand ein. Bisher widmete sich der Großteil der Bemühungen der Realisierung von Quantentechnologien, während die Zertifizierung kaum Beachtung fand. Obwohl sie für optische Geräte zugeschnitten ist, könnte die REQS-Methode dem Nachweis, dass Quantengeräte ihren Ansprüchen gerecht werden, den Weg ebnen.
Schlüsselbegriffe
Qualitätskontrolle, Quantensimulator, Vielteilchensysteme, Quantencomputer, Zertifizierungsverfahren
