Wissenschaftler simulieren Quanten-Computing auf einem herkömmlichen Computer

Die Simulation könnte für den Bau von Quantencomputern von Bedeutung sein.

Quantum Computer
Quantum Computer Simulationen auf einem normalen Computer sollen helfen, diese Technik besser zu verstehen

Wissenschaftler der Universität Linköping haben eine Simulation des Quantencomputers erstellt, die auf einem herkömmlichen Computer verwendet werden kann. Die Simulation, so sagen sie, zeigt, wie ein Quantencomputer wirklich funktionieren wird.

Das Forschungsteam ist überzeugt, dass ihre Arbeit dazu beitragen wird, das Quantencomputing voranzubringen – ein Gebiet des Supercomputings, das quantenmechanische Phänomene wie Verschränkung und Überlagerung zur Durchführung von Berechnungen nutzt.

Neudefinition von Supercomputern

Der Quantencomputer soll Realität werden – eine Milliarden-Dollar-Forschungsanstrengung in Schweden zielt darauf ab, einen solchen innerhalb der nächsten zehn Jahre auf den Markt zu bringen. Auch die EU hat die Quantentechnologie zu einem ihrer Vorzeigeprojekte erklärt.

Es ist zu erwarten, dass die Technologie bei Simulationen biologischer, chemischer und physikalischer Systeme, die selbst für die leistungsfähigsten Supercomputer von heute zu komplex sind, eine unglaubliche Bedeutung erlangen wird.

Es gibt jedoch vieles, was wir noch nicht darüber wissen, wie Quantencomputer funktionieren werden.

Jetzt haben Professor Jan-Åke Larsson und sein Doktorand Niklas Johansson in der Abteilung für Informationskodierung am Fachbereich Elektrotechnik der Universität Linköping eine Simulation bereitgestellt, die den Nutzern helfen soll, die Funktionsweise eines Quantencomputers zu verstehen und zu verstehen, warum er leistungsfähiger ist als ein klassischer Computer.

„Unsere Ergebnisse sollten für den Bau von Quantencomputern von großer Bedeutung sein“, sagte Professor Jan-Åke Larsson in einer Pressemitteilung. Die Ergebnisse des Teams wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Entropie veröffentlicht.

„Wir haben gezeigt, dass der Hauptunterschied darin besteht, dass Quantencomputer zwei Freiheitsgrade für jedes Bit haben. Indem wir einen zusätzlichen Freiheitsgrad in einem klassischen Computer simulieren, können wir einige der Algorithmen mit der gleichen Geschwindigkeit ausführen, die sie in einem Quantencomputer erreichen würden“, sagt Jan-Åke Larsson.

Das Simulationswerkzeug der Forscher heißt Quantensimulationslogik oder QSL. Das System simuliert den Betrieb eines Quantencomputers mit Hilfe eines guten alten klassischen Computers.

Wie es funktioniert

Ein Bit, die kleinste Dateneinheit in einem Computer, kann nur den Wert Eins oder Null annehmen, aber ein Quantenbit (ein Qubit) kann alle Werte dazwischen annehmen. Quantencomputer als solche müssen nicht viele Operationen für jede Berechnung, die sie ausführen, verarbeiten.

Das Werkzeug der Forscher simuliert dies, indem es für jedes Bit, das Teil der Verarbeitungsberechnung ist, einen zusätzlichen Freiheitsgrad zulässt.

„Jedes Bit hat zwei Freiheitsgrade: Man kann es mit einem mechanischen System vergleichen, in dem jedes Teil zwei Freiheitsgrade hat – Position und Geschwindigkeit. In diesem Fall haben wir es mit Berechnungsbits zu tun, die Informationen über das Ergebnis der Funktion tragen, und mit Phasenbits, die Informationen über die Struktur der Funktion tragen“, erklärt Jan-Åke Larsson.

Die Wissenschaftler haben QSL bereits zur Untersuchung einiger Quantenalgorithmen verwendet. Mehrere der Algorithmen, die in QSL simuliert wurden, laufen laut den Forschern so schnell wie in einem Quantencomputer.

„Das Ergebnis zeigt, dass die höhere Geschwindigkeit von Quantencomputern aus ihrer Fähigkeit resultiert, Informationen in einem zusätzlichen informationstragenden Freiheitsgrad zu speichern, zu verarbeiten und abzurufen. Dies ermöglicht uns ein besseres Verständnis der Funktionsweise von Quantencomputern. Dieses Wissen sollte auch den Bau von Quantencomputern erleichtern, da wir wissen, welche Eigenschaft am wichtigsten ist, damit der Quantencomputer wie erwartet funktioniert“, sagt Jan-Åke Larsson.

Das System ist sehr vielversprechend, da es den Studierenden hilft zu verstehen, wie Quantencomputing funktioniert.

Zum Beispiel kann QSL verwendet werden, um Quantenkryptographie und Quantenteleportation zu verstehen, ebenso wie einige Rechenalgorithmen, wie z.B. Shor’s Algorithmus zur Faktorisierung.

Darüber hinaus ist eine funktionierende Simulation ein großartiges Werkzeug für alle Forscher, die nach Wegen suchen, wie das Quanten-Computing die Computerlandschaft in der Zukunft stark verändern wird.