Wissenschaftler arbeiten daran, Quantencomputer-Eigenschaften auf klassische Computer zu übertragen

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Linköping-Universität hat gezeigt, wie ein Quantencomputer funktioniert, und sie konnten die Eigenschaften in einem klassischen Computer simulieren.

“Unsere Ergebnisse sollten sehr bedeutend sein, um zu bestimmen, wie man einen Quantencomputer baut”, sagte Professor Jan-Åke Larsson.

Schweden, Europa und andere Teile der Welt haben große Ressourcen investiert und Forschung betrieben, um superschnelle und leistungsstarke Quantencomputer zu entwickeln. Innerhalb von zehn Jahren wird ein schwedischer Quantencomputer erwartet, und die EU hat die Quantentechnologie als eines ihrer wichtigsten Projekte definiert.

Derzeit haben wir nur wenige nützliche Algorithmen, die für Quantencomputer verwendet werden können. Obwohl dies der Fall ist, wird diese Art von Technologie in Simulationen biologischer, chemischer und physikalischer Systeme extrem wichtig sein. Viele davon sind zu komplex für die leistungsstärksten Computer, die wir derzeit haben. In einem Computer kann ein Bit den Wert von eins oder null annehmen, aber ein Quantenbit kann alle Werte dazwischen annehmen. Dies bedeutet, dass Quantencomputer nicht so viele Operationen für jede Berechnung durchführen müssen.

Professor Jan-Åke Larsson und sein Doktorand Niklas Johansson vom Fachbereich für Information Coding am Department of Electrical Engineering der Linköping-Universität haben viel von dem herausgefunden, warum ein Quantencomputer leistungsstärker ist als ein klassischer. Sie haben auch untersucht, was innerhalb eines Quantencomputers passiert.

Die Ergebnisse der Forschung wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Entropy veröffentlicht.

“Wir haben gezeigt, dass der größte Unterschied darin besteht, dass Quantencomputer zwei Freiheitsgrade pro Bit haben. Durch die Simulation eines zusätzlichen Freiheitsgrades in einem klassischen Computer können wir einige der Algorithmen mit der gleichen Geschwindigkeit ausführen, wie sie in einem Quantencomputer erreicht werden”, sagt Jan-Åke Larsson.

Das Team hat ein Simulationswerkzeug namens Quantum Simulation Logic oder QSL entwickelt. Es ermöglicht ihnen, den Betrieb eines Quantencomputers auf einem klassischen Computer zu simulieren. Die Quantum Simulation Logic hat eine bestimmte Eigenschaft, und es ist die einzige Eigenschaft, die ein Quantencomputer hat und ein klassischer Computer nicht. Das ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad für jedes Bit, das Teil der Berechnung ist.

“Somit hat jedes Bit zwei Freiheitsgrade: Es kann mit einem mechanischen System verglichen werden, in dem jedes Teil zwei Freiheitsgrade hat – Position und Geschwindigkeit. In diesem Fall beschäftigen wir uns mit Rechenbits – die Informationen über das Ergebnis der Funktion tragen – und Phasenbits – die Informationen über die Struktur der Funktion tragen”, erklärt Jan-Åke Larsson.

Das QSL-Werkzeug wurde vom Team verwendet, um einige der Quantenalgorithmen zu untersuchen, die für die Verwaltung der Struktur der Funktion verantwortlich sind. Viele dieser Algorithmen sind in den Simulationen so schnell wie in einem Quantencomputer.

“Das Ergebnis zeigt, dass die höhere Geschwindigkeit in Quantencomputern aus ihrer Fähigkeit resultiert, Informationen in einem zusätzlichen informationsübertragenden Freiheitsgrad zu speichern, zu verarbeiten und abzurufen. Dies ermöglicht es uns, besser zu verstehen, wie Quantencomputer funktionieren. Auch diese Kenntnisse sollten es einfacher machen, Quantencomputer zu bauen, da wir wissen, welche Eigenschaft am wichtigsten für den Betrieb eines Quantencomputers ist”, sagt Jan-Åke Larsson.

Das Team hat auch eine physische Version mit elektronischen Komponenten entwickelt. Sie verwendeten Tore, die denen in Quantencomputern ähneln, und ein Werkzeug simuliert, wie ein Quantencomputer funktioniert. Dies kann es Studenten und anderen ermöglichen, zu simulieren und zu verstehen, wie Quantenkryptographie und Quantenteleportation funktionieren, unter anderem.

Diese neue Forschung kann zur zunehmenden Überschneidung zwischen Quantencomputing und künstlicher Intelligenz beitragen. Eine dieser Überschneidungen ist die Feature-Mapping. Andere Forschungen, die von IBM Research, MIT und Oxford-Wissenschaftlern durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass Quantencomputer, wenn sie leistungsstärker werden, in der Lage sein werden, Feature-Mapping auf hochkomplexe Datenstrukturen durchzuführen, was klassische Computer nicht können. Feature-Mapping ist innerhalb des maschinellen Lernens wichtig und kann zu effektiverer künstlicher Intelligenz führen, die Muster in Daten erkennen kann, die klassische Computer nicht erkennen können.

Wenn in diesen Bereichen immer mehr Forschung durchgeführt wird, wird es zunehmend mehr Überschneidungen in den beiden wichtigen Bereichen geben.