Quanten-Zeno-Effekt Warum Quantencomputer ins Stocken geraten können

Eine Studie des HZDR zeigt: Mit wachsender Qubitzahl können selbst schwache Umwelteinflüsse adiabatische Quantenrechner stark verlangsamen. Im Extremfall droht ein nahezu vollständiger Stillstand.

Quantencomputer sollen komplexe Aufgaben schneller und mit geringerem Energiebedarf lösen als heutige Supercomputer. Mögliche Anwendungen reichen von der Optimierung logistischer Abläufe über die Entwicklung von Medikamenten bis zur Simulation von Molekülen und neuartigen Materialien. Mit der Zahl der Recheneinheiten, den Qubits, wachsen jedoch auch die technischen Herausforderungen.

Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben nun eine bislang wenig beachtete Hürde untersucht. Wie sie im Fachjournal New Journal of Physics berichten, kann der sogenannte Quantum-Zeno-Effekt adiabatische Quantenrechner bei zunehmender Skalierung stark verlangsamen. Im Extremfall könnte die Berechnung nahezu vollständig zum Stillstand kommen.

Berechnung im energetischen Grundzustand

Adiabatische Quantencomputer arbeiten nach einem anderen Prinzip als gatterbasierte Quantenrechner. Ihre Qubits sollen sich während der Berechnung möglichst durchgehend im Grundzustand befinden, also in dem Zustand mit der geringsten Energie. Ein Beispiel für einen Quantenprozessor, der für einen adiabatischen Quantencomputer zum Einsatz käme, ist der Advantage2-Prozessor von D-Wave.

Zu Beginn bildet die Energielandschaft des Systems ein einfaches Ausgangsproblem ab. Anschließend wird sie langsam und schrittweise verändert. Erfolgt dieser Prozess langsam genug, passen sich die Qubits kontinuierlich an und folgen dem jeweils neuen Grundzustand. Am Ende enthält dieser Zustand die Lösung der Rechenaufgabe.

Adiabatische Algorithmen gelten als vergleichsweise robust und lassen sich auf unterschiedlichen technischen Plattformen einsetzen. Sie können sowohl mit supraleitenden Schaltkreisen als auch mit einzelnen Ionen ausgeführt werden, die in elektromagnetischen Fallen gehalten werden. Beide Ansätze werden bereits praktisch erprobt.

Umwelteinflüsse wirken wie Messungen

Damit ein Quantencomputer zuverlässig rechnen kann, müssen seine Qubits ihre quantenmechanischen Eigenschaften bewahren. Dazu zählen die Superposition verschiedener Zustände und die Verschränkung mehrerer Qubits. Erst ihr Zusammenspiel ermöglicht es, bestimmte komplexe Aufgaben effizienter als klassische Rechner zu bearbeiten.

Elektromagnetische Strahlung, Wärme und andere Einflüsse aus der Umgebung können diese empfindlichen Zustände verändern. Quantenchips werden deshalb abgeschirmt und auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius gekühlt. Vollständig von ihrer Umgebung isolieren lassen sich die Qubits dennoch nicht.

Nach dem theoretischen Modell des Forschungsteams nimmt die Empfindlichkeit adiabatischer Quantenrechner mit wachsender Qubitzahl zu. Je mehr Qubits miteinander gekoppelt werden, desto kleiner können die Energieunterschiede zwischen den Zuständen werden, denen das System während der Berechnung folgen muss.

Sind diese Abstände sehr klein, können bereits schwache und häufige Störungen die Entwicklung der Quantenzustände beeinflussen. Jede Wechselwirkung mit der Umgebung wirkt dabei ähnlich wie eine ungewollte Messung. Der Quantum-Zeno-Effekt führt dann dazu, dass sich das System immer langsamer verändert oder seine Entwicklung vollständig unterbrochen wird.

Die Forschenden vergleichen den Vorgang mit einem Kuchen im Backofen. Wird die Ofentür ständig geöffnet, um den Backfortschritt zu prüfen, wird der Prozess immer wieder gestört. Der Kuchen geht möglicherweise nicht richtig auf. Entsprechend können häufige Umwelteinflüsse verhindern, dass ein Quantencomputer den für die Lösung benötigten Endzustand erreicht.

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Aktive Schutzverfahren könnten helfen

Eine bessere Abschirmung gegen Wärme und elektromagnetische Strahlung kann den Einfluss der Umgebung verringern. Bei größeren Systemen könnten solche passiven Maßnahmen allein jedoch nicht ausreichen. Als zusätzliche Möglichkeit nennen die Forschenden die Spin-Echo-Methode. Dabei sollen gezielte kohärente Pulse unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Qubits und ihrer Umgebung teilweise ausgleichen.

Die Ergebnisse bedeuten nicht, dass leistungsfähige Quantencomputer grundsätzlich unmöglich sind. Sie zeigen jedoch, dass bei ihrer Entwicklung nicht allein die Zahl der Qubits entscheidend ist. Schutzmaßnahmen müssen mit der Größe und Komplexität der Systeme Schritt halten. Der Einfluss der Umgebung sollte deshalb bereits bei der Konstruktion größerer Quantenrechner berücksichtigt werden.(sg)

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