Nach f\u00fcnfzehn Jahren Forschungsarbeit: Physikern an der TU Innsbruck ist es gelungen, eine selbstverifizierende Methode f\u00fcr die Simulation von komplexen Quantenproblemen zu entwickeln. Diese kann in Verkehrsplanung, Wettervorhersage oder auch Molekularbiologie genutzt werden.<\/p>\n
Physiker weltweit arbeiten an der Entwicklung des Quantencomputers, der Rechnungen schneller als der konventionelle Computer ausf\u00fchren kann. Bevor es soweit ist, besch\u00e4ftigen sie sich aber auch mit der Frage, wie die Quantentheorie in bereits verf\u00fcgbarer Hardware genutzt werden kann. Forscher an der TU Innsbruck<\/em> konnten eben ein Projekt erfolgreich abschlie\u00dfen. Es gelang ihnen \u00fcber einen Quanten-Coprozessor in der Cloud eine neue Methode f\u00fcr die Simulation von komplexen Fragestellungen zu entwickeln.<\/p>\n Die Anf\u00e4nge des Projekts datieren bereits in das Jahr 2004 zur\u00fcck. 2016 gelang es dann erstmals, die spontane Entstehung eines Elementarteilchen-Paares mit einem digitalen Quantencomputer zu simulieren. Die Technologie war f\u00fcr kleine Simulationen geeignet. Aber f\u00fcr komplexere Simulationen erforderte die Fehlerrate sehr viele Quantenbits, die in den vorhandenen Quantencomputern noch nicht verf\u00fcgbar sind. Das aktuelle Limit liegt bei maximal drei\u00dfig Quantenbits. Auch der analogen Nachbildung von Quantensystemen in einem Quantencomputer sind enge Grenzen gesetzt.<\/p>\n In einem Quantenexperiment konnte das Problem jetzt gel\u00f6st werden: Die Forscher entwickelten einen programmierten Variations-Quantensimulator<\/em> und nutzten dabei die aus der theoretischen Physik bekannte Variationsmethode. Diese erm\u00f6glicht, dass der Quantensimulator als eine vom untersuchten Problem unabh\u00e4ngige Quantenressource genutzt werden kann, erkl\u00e4rt Rick van Bijnen<\/em> aus dem Forschungsteam. So k\u00f6nnen die Grenzen des konventionellen Computers aufgehoben werden und komplexe quantenmechanische Berechnungen in den Quanten-Coprozessor in der Cloud ausgelagert werden. Konkret kam ein programmierbarer Ionenfallen-Quantencomputer mit zwanzig Quantenbits zum Einsatz.<\/p>\n \u201eWir verwenden die besten Eigenschaften beider Technologien. Der Quantensimulator \u00fcbernimmt die rechenaufwendigen Quantenprobleme und der klassische Computer l\u00f6st die restlichen Aufgaben.\u201c Experimentalphysikerin Christine Maier<\/em><\/p><\/blockquote>\n Zur Erkl\u00e4rung der Technologie vergleichen die Forscher ein Puppenhaus mit Bausteinen. Dabei steht das Puppenhaus f\u00fcr den analogen Quantensimulator und die Bausteine f\u00fcr den programmierten Variations-Quantensimulator<\/em>. W\u00e4hrend das Puppenhaus blo\u00df eine Wirklichkeit abbildet, k\u00f6nnen aus den einzelnen Bausteinen viele verschiedene H\u00e4user gebaut werden.<\/p>\n Bei der analogen Quantenprozession muss man das System, das man simulieren will, im Labor wirklich bauen, erl\u00e4utert Projektmitarbeiter Christian Kokail<\/em>. Dabei verwendet man den Quantensimulator, um gewisse Zust\u00e4nde zu erzeugen. Diese werden dann vom klassischen Computer zielorientiert optimiert.<\/p>\n Bei den Bausteinen handelt es sich konkret um Verschr\u00e4nkungsgatter<\/em> und Einzel-Spin-Rotationen<\/em>. Diese entstehen, wenn die Ionen in der Simulation mit Laserlicht bestrahlt werden, um eine bestimmte Wechselwirkung oder einen bestimmten Zustand zu erzeugen. Das k\u00f6nnen entweder Rotationen von einzelnen Ionen sein oder eine Gesamtverschr\u00e4nkung. Der Zustand wird ausgemessen und die Messergebnisse werden an den konventionellen Computer zur\u00fcckgef\u00fcttert. Dort wird der Zustand ausgewertet und der Quantensimulator erh\u00e4lt die Mitteilung, welcher Zustand als n\u00e4chstes produziert werden soll.<\/p>\n Die Funktion der Bausteine ist stellschraubenartig. Bei der Simulation im konventionellen Computer wird so lange an diesen Stellschrauben gedreht, bis sich der Quantenzustand einstellt. Wollte man das Experiment mit einem klassischen Computer durchf\u00fchren, m\u00fcsste man so lange an diesen Stellschrauben drehen, bis sich der gesuchte Quantenzustand einstellt.<\/p>\n F\u00fcr ihren programmierbaren Variations-Quantensimulator haben die Forscher einen Optimierungsalgorithmus entwickelt, der in rund 100.000 Aufrufen durch den konventionellen Computer zum Ergebnis f\u00fchrt. Werden die Algorithmen mit rapiden Mess-Zyklen kombiniert, so erreicht der Quantensimulator eine enorme Leistungsf\u00e4higkeit.<\/p>\n Auf Basis dieser Methode haben die Physiker erstmals die spontane Entstehung und Vernichtung von Elementarteilchen-Paaren im Vakuum simuliert – auf zwanzig Quantenbits. Ermutigt von der hohen Effizienz der Methode, wollen sie demn\u00e4chst einen noch gr\u00f6\u00dferen Quantensimulator entwickeln \u2013 auf Basis eines Quantencomputers mit bis zu f\u00fcnfzig Ionen.<\/p>\n Der programmierbare Variations-Quantensimulator hat aber noch ein weiteres Problem gel\u00f6st \u2013 n\u00e4mlich die \u00dcberpr\u00fcfung von komplexen Simulationsergebnissen. \u201eDie Simulation auf zwanzig Quantenbits k\u00f6nnen wir am klassischen Computer noch \u00fcberpr\u00fcfen, bei komplexeren Simulationen ist das schlichtweg nicht mehr m\u00f6glich\u201c, erkl\u00e4rt van Bijnen<\/em>. Im Experiment wurde das Problem mit zus\u00e4tzlichen Messungen im Quantensystem gel\u00f6st. Die Quantenmaschine beurteilt die Qualit\u00e4t der Messung anhand der Ergebnisse.<\/p>\n Die Innsbrucker Forscher f\u00fchrten das Projekt am Institut f\u00fcr Quantenoptik und Quanteninformation<\/em><\/a> (IQOQI) der \u00d6sterreichischen Akademie der Wissenschaften <\/em><\/a>durch.\u00a0\u00a0 Federf\u00fchrend waren Christian Kokail<\/em><\/a>, Christine Maier<\/em><\/a>, Rick van Bijnen<\/em> <\/a>und Christian Roos.<\/em><\/a><\/p>\n In diesem Video<\/a> erkl\u00e4ren die Physiker ihr Experiment.<\/p>\n Unter diesem Link finden Sie das Paper: Blatt, R.\/Brydes, T.\/Joshi, K.\/Jurcevic, P.\/Kokail, C.\/Maier, C.\/Muschik, C.A.\/Roos, C.F.\/Silvi, P.\/van Bijnen, R.\/Zoller, P. (2019): Self-verifying variational quantum simulation of lattice models. In: Nature. International Journal of Science<\/em>.<\/p>\n <\/p>\n Quantensensor zur Messung von Lichtteilchen<\/a><\/p>\n Quantenphysik zur pr\u00e4zisen Datierung von Gletschereis<\/a><\/p>\n K\u00fcnstliche Intelligenz zur Erforschung des Schwarmverhaltens<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Nach f\u00fcnfzehn Jahren Forschungsarbeit: Physikern an der TU Innsbruck ist es gelungen, eine selbstverifizierende Methode f\u00fcr die Simulation von komplexen Quantenproblemen zu entwickeln. Diese kann in Verkehrsplanung, Wettervorhersage oder auch Molekularbiologie genutzt werden. Physiker weltweit arbeiten an der Entwicklung des Quantencomputers, der Rechnungen schneller als der konventionelle Computer ausf\u00fchren kann. 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