Quantencomputing Systemstillstand im Quantenrechner

Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistung. Doch Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf warnen nun vor dem Quantum-Zeno-Effekt: Bei wachsender Qubit-Zahl können schon winzige Umgebungsstörungen den Rechenprozess komplett einfrieren. 

Für Ingenieure gleicht es dem ultimativen Systemabsturz: Eine komplexe Steuerungsaufgabe läuft, doch das System friert plötzlich ein. Was in der klassischen Automatisierungstechnik meist auf Softwarefehler oder Überlastung zurückzuführen ist, zeigt sich nun als grundlegendes physikalisches Hindernis bei der Entwicklung künftiger Superrechner. 

Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben herausgefunden, dass sogenannte adiabatische Quantencomputer mit zunehmender Skalierung extrem empfindlich auf kleinste Störgrößen reagieren – und im Extremfall einfach stehenbleiben.

Wenn die Energielandschaft kippt

Quantencomputer gelten als Hoffnungsträger für Aufgaben, an denen klassische Rechner scheitern, wie etwa gigantische Logistikoptimierungen oder Materialsimulationen. Eine vielversprechende Architektur sind adiabatische Quantenrechner. Ihr Prinzip: Die Recheneinheiten (Qubits) befinden sich durchgehend im Zustand der geringsten Energie (Grundzustand). Die „Programmierung“ erfolgt, indem die Energielandschaft der Qubits von außen extrem langsam und kontinuierlich verändert wird. Am Ende dieser Umgestaltung liefert der neue Grundzustand die Lösung.

Dieser Ansatz gilt hardwareunabhängig als robust und vergleichsweise elegant. Doch Dr. Gernot Schaller und Prof. Ralf Schützhold vom HZDR-Institut für Theoretische Physik haben einen blinden Fleck beim Skalieren dieser Systeme identifiziert.

Ein Quantencomputer kann nur erfolgreich rechnen, wenn seine Qubits nicht zu sehr gestört werden.

Prof. Ralf Schützhold, Direktor HZDR-Institut für Theoretische Physik

Der Quantum-Zeno-Effekt oder das Problem mit der Ofentür

Um die empfindliche Überlagerung und Verschränkung der Qubits aufrechtzuerhalten, werden Quantencomputer massiv abgeschirmt und auf nahe den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) gekühlt. Trotzdem lassen sich Einflüsse aus der Umgebung nie ganz ausschließen. Das Tückische: Je mehr Qubits verschaltet werden, desto feiner werden die Änderungen in der Energielandschaft.

Ab einer bestimmten Skalierungsgröße schlägt dann der sogenannte Quantum-Zeno-Effekt zu. Winzige elektromagnetische Störungen wirken auf das System wie eine ungewollte „Messung“ von außen – und stoppen die Entwicklung des Quantenzustands.

Die Forscher vergleichen dieses Phänomen mit dem Backen eines Kuchens: Ein Kuchen muss im Ofen ungestört aufgehen. Wer ständig die Ofentür aufreißt, um nachzusehen, ob er fertig ist, unterbricht den Prozess – der Teig fällt zusammen. Genauso ergeht es dem Rechenprozess im Quantencomputer: Bei zu vielen kleinen Störungen erreicht das System seinen Endzustand nie, die Berechnung friert ein.

Mythen und Fakten

Was Quantencomputer können – und was nicht

Aktive Störgrößenkompensation als Lösung

Wie in der Automatisierungstechnik üblich, bedarf es bei Störgrößen neben passiven auch aktiver Gegenmaßnahmen. Die rein physische Abschirmung („Vorhängeschloss am Ofen“) reicht für zukünftige Quanten-Großrechner nicht mehr aus. Prof. Schützhold schlägt daher die „Spin-Echo-Methode“ vor: Durch gezielte, kohärente Gegenpulse lässt sich die störende Kopplung der Qubits an ihre Umgebung aktiv verringern. Im Kuchen-Bild entspräche dies einem High-Tech-Ofen, der den Temperaturabfall beim Öffnen der Tür durch einen sofortigen, ultraschnellen Heizpuls ausgleicht.

Für die künftige Hardware-Entwicklung bedeutet das: Ein robuster Quantencomputer lässt sich nur dann erfolgreich skalieren, wenn das Störgrößenmanagement für den Quantum-Zeno-Effekt bereits im Systemdesign („Security by Design“) fest verankert wird.

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