Physiker entwickeln Algorithmus für effizientere Quantenberechnungen

Quantencomputer sind eines der leistungsstärksten Werkzeuge, die der Gesellschaft zur Verfügung stehen, mit dem Potenzial, viele der extrem komplexen Probleme zu lösen, die klassische Computer nicht bewältigen können. Um jedoch die leistungsstärksten Quantencomputer zu erreichen, muss die Effizienz gesteigert werden.

Quantenphysiker an der University of Sussex beschäftigen sich mit diesem Effizienzproblem. Sie haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der die Geschwindigkeit der Rechenrate in den derzeit entwickelten Quantencomputern erhöhen kann. Der Algorithmus bietet eine neue Möglichkeit, die Ionen im Quantencomputer zu routen, was die Effizienz der Berechnungen erhöht.

Der “Routing-Algorithmus” wurde in der Forschungsarbeit mit dem Titel “Effiziente Qubit-Routing für einen global vernetzten Trapped-Ion-Quantencomputer” beschrieben, die im Journal Advanced Quantum Technologies veröffentlicht wurde.

Das Team wurde von Professor Winfried Hensinger geleitet und umfasste Mark Webber, Dr. Steven Haerbert und Dr. Sebastian Weidt.

Hensinger und Webber haben kürzlich ihr eigenes Unternehmen, Universal Quantum, gegründet. Es zielt darauf ab, den ersten großen Quantencomputer zu bauen, und verschiedene hochrangige Tech-Investoren haben Interesse gezeigt.

Routing-Algorithmus

Der Routing-Algorithmus funktioniert, indem er den Verkehr in einem Quantencomputer reguliert, sodass Qubits physisch über lange Strecken transportiert werden können. Dies ermöglicht es den Qubits, mit anderen zu interagieren, und die Daten können effizient innerhalb des Quantencomputers bewegt werden, ohne dass es zu Engpässen kommt.

Einer der grundlegenden Aspekte von Quantencomputern sind Quantenbits oder Qubits, die zur Verarbeitung von Informationen verwendet werden. Das Team analysierte zunächst einen “Trapped-Ion”-Quantencomputer, der aus Silizium-Mikrochips mit geladenen Atomen besteht. Diese geladenen Atome oder Ionen schweben über der Oberfläche des Mikrochips und werden zur Speicherung von Daten verwendet. Jedes Ion kann ein Quantenbit an Informationen speichern.

Um Berechnungen auf diesem Typ von Quantencomputer durchzuführen, müssen die Ionen bewegt werden. Die Leistung des Quantencomputers hängt davon ab, wie schnell und effizient dies geschehen kann.

Supraleitende vs. Trapped-Ion-Quantencomputer

Es gibt zwei Hauptgeräte, die im Bereich der Quantencomputing verwendet werden: supraleitende Geräte und Trapped-Ion-Geräte.

Supraleitende Geräte werden von einigen großen Unternehmen wie IBM und Google (GOOGL ) verwendet, während Trapped-Ion-Geräte vom Team der University of Sussex und anderen Unternehmen verwendet werden.

Supraleitende Quantencomputer verwenden stationäre Qubits, und meistens können diese nur mit Qubits interagieren, die direkt nebeneinander liegen. Um Berechnungen zwischen Qubits durchzuführen, die nicht direkt nebeneinander liegen, muss die Kommunikation durch eine Kette von benachbarten Qubits erfolgen.

Da die Informationen von einem Qubit zum nächsten und so weiter übertragen werden, werden sie umso mehr korrupt, je länger die Kette ist. Aus diesem Grund gelten supraleitende Quantencomputer für das Team als begrenzt in ihrer Rechenleistung.

Aufgrund dieser Einschränkungen entschied sich das Team, einen neuen Routing-Algorithmus für die Trapped-Ion-Architektur zu entwickeln. Die aktuelle Methode zur Messung der Rechenleistung von Quantencomputern in der Nähe ist “Quanten-Volumen”, das das Team verwenden konnte, um sein Modell mit den supraleitenden zu vergleichen.

Das Team fand heraus, dass sein Trapped-Ion-Modell konsistenter und besser als das der supraleitenden Qubits war, und dies lag daran, dass sein Algorithmus es den Qubits ermöglichte, direkt mit mehr Qubits zu interagieren. Diese Methode resultiert in einer höheren erwarteten Rechenleistung.

“Wir können jetzt die Rechenleistung der Quantencomputer vorhersagen, die wir konstruieren. Unsere Studie hat einen grundlegenden Vorteil für Trapped-Ion-Geräte gezeigt, und der neue Routing-Algorithmus wird es uns ermöglichen, die Leistung der frühen Quantencomputer zu maximieren”, sagte Webber.

Laut Hensinger ist “diese Arbeit ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Bau praktischer Quantencomputer, die reale Probleme lösen können”.