Welche Faktoren bestimmen, wie schnell ein Quantencomputer seine Berechnungen durchführen kann? Physiker der Universität Bonn und des Technion - Israel Institute of Technology haben ein elegantes Experiment entwickelt, um diese Frage zu beantworten. Die Ergebnisse der Studie werden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Quantencomputer sind hochkomplexe Maschinen, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik beruhen, um Informationen zu verarbeiten. Damit sollen sie in Zukunft bestimmte Probleme lösen können, die für herkömmliche Computer völlig unlösbar sind.
Aber auch für Quantencomputer sind der Datenmenge, die sie in einer bestimmten Zeit verarbeiten können, grundlegende Grenzen gesetzt.
Quantentore benötigen ein Minimum an Zeit:
Die in gewöhnlichen Computern gespeicherten Informationen kann man sich als lange Folge von Einsen und Nullen, also Bits, vorstellen.
In der Quantenmechanik ist alles anders: Informationen werden in Quantenbits (Qubits) gespeichert, die einer Welle ähneln, und nicht in einer Reihe diskreter Werte. Physiker sprechen auch von Wellenfunktionen, wenn sie die in Qubits enthaltenen Informationen genau darstellen wollen.
In einem herkömmlichen Computer werden Informationen durch ein sogenanntes Gate miteinander verbunden. Durch die Kombination mehrerer Gatter können Sie elementare Berechnungen wie das Addieren von zwei Bits durchführen.
In ganz ähnlicher Weise werden Informationen in Quantencomputern verarbeitet, wo Quantengatter die Wellenfunktion nach bestimmten Regeln ändern.
Quantentore ähneln ihren traditionellen Cousins in einer anderen Hinsicht: „Auch in der Quantenwelt arbeiten Tore nicht unendlich schnell“, erklärt Dr. Andrea Alberti vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. "Sie brauchen ein Minimum an Zeit, um die Wellenfunktion und die darin enthaltenen Informationen zu transformieren."
Vor mehr als 70 Jahren haben die sowjetischen Physiker Leonid Mandelstam und Igor Tamm diese minimale Transformationszeit für die Wellenfunktion theoretisch abgeleitet. Physiker der Universität Bonn und des Technion waren die ersten, die diese Mandelstam-Tamm-Grenze mit einem Experiment an einem komplexen Quantensystem untersuchten.
Dazu benutzten sie Cäsiumatome, die sich streng kontrolliert bewegten. „In einem Experiment lassen wir einzelne Atome wie Kugeln in einer Lichtschale herunterrollen und beobachten, wie sie sich bewegen“, erklärt Andrea Alberti, die die experimentelle Studie leitete.
Atome lassen sich quantenmechanisch als Materiewellen beschreiben. Während sie zum Boden der Lichtschale wandern, ändert sich ihre Quanteninformation. Die Forscher wollten wissen, wie diese „Verformung“ möglichst früh erkannt werden kann. Dann wäre eine solche Zeit ein experimenteller Beweis für die Mandelstam-Tamm-Grenze.
Das Problem ist jedoch, dass in der Quantenwelt jede Messung der Position eines Atoms unweigerlich die materielle Welle auf unvorhersehbare Weise verändert. Daher scheint es immer verformt zu sein, egal wie schnell die Messung durchgeführt wird. „Deshalb haben wir eine andere Methode entwickelt, um Abweichungen vom Ausgangswert zu erkennen“, sagt Andrea Alberti.
Dazu erstellten die Forscher zunächst einen Klon der Materialwelle, also ein nahezu exaktes Duplikat.
„Wir haben schnelle Lichtpulse verwendet, um eine sogenannte Quantenüberlagerung zweier Zustände eines Atoms zu erzeugen“, erklärt Gal Ness, der Autor der Studie. "Bildlich gesprochen verhält sich ein Atom so, als ob es gleichzeitig zwei verschiedene Farben hätte."
Je nach Farbe nimmt jeder Atomic Twin seine eigene Position in der Lichtschale ein: Einer steht hoch am Rand und „rollt“ von dort herunter. Der andere hingegen befindet sich bereits am Boden der Schüssel. Dieser Zwilling bewegt sich nicht und ändert daher seine Wellenfunktion nicht.
Physiker verglichen die beiden Klone regelmäßig. Dazu nutzten sie eine Technik namens Quanteninterferenz, mit der sich die Unterschiede in den Wellen sehr genau nachweisen lassen. So konnten sie feststellen, nach welcher Zeit erstmals eine signifikante Verformung der Materialwelle auftrat.
Durch die Veränderung der Höhe über dem Schalenboden zu Beginn des Experiments konnten Physiker auch die durchschnittliche Energie des Atoms kontrollieren. Durchschnittlich, da die genaue Höhe grundsätzlich nicht bestimmbar ist. Folglich ist die "Ortsenergie" eines Atoms immer unbestimmt.
„Wir konnten zeigen, dass die minimale Zeit für die Veränderung einer materiellen Welle von dieser energetischen Unsicherheit abhängt“, sagen die Wissenschaftler, „je größer die Unsicherheit, desto kürzer die Mandelstam-Tamm-Zeit.“
Genau das haben die beiden sowjetischen Physiker vorhergesagt. Aber es gab noch einen zweiten Effekt: Wenn die Energieunsicherheit immer mehr zunahm, bis sie die durchschnittliche Atomenergie überstieg, dann verringerte sich die Mindestzeit nicht weiter – im Gegensatz zu dem, was das Mandelstam-Tamm-Limit eigentlich annahm.
Damit bewiesen Physiker die zweite Geschwindigkeitsbegrenzung, die vor etwa 20 Jahren theoretisch entdeckt wurde. Somit wird die Geschwindigkeitsbegrenzung in der Quantenwelt nicht nur durch die Unsicherheit der Energie bestimmt, sondern auch durch die durchschnittliche Energie.
2021-12-25 23:29:20
Autor: Vitalii Babkin