Forscher aus Saarbrücken optimieren Rechenvorgänge von Quanten-Prozessoren

Physiker um den Saarbrücker Professor Frank Wilhelm-Mauch haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Rechenoperationen von Quanten-Prozessoren in bestimmten Fall um das 25-Fache beschleunigen lassen. Ihre Methode haben sie im Fachmagazin Physical Review Letters vorgestellt. Sie wurde für die Simulation von Molekülen entwickelt und entfaltete dabei ihr größtes Potenzial, könnte aber auch in anderen Szenarien einen Schritt hin zu einem alltagstauglichen Quantencomputer sein.

Entwickelt wurde die Methode für Quantenprozessoren mit 50 Qubits, wie sie zum Beispiel Google für das kommende Jahr angekündigt hat und an denen auch IBM arbeitet. Bisher arbeitet Google mit einem Quantenrechner mit 9 Qubits.

Die nächste Generation soll also wesentlich performanter sein, schöpft aber die theoretisch mögliche Leistungsfähigkeit nicht aus, da die Quantenprozessoren nebeneinander aufgereiht sind. Rechenoperationen zwischen zwei Qubits funktionieren allerdings nur, wenn diese direkt nebeneinander liegen. Der Positionstausch der gerade interagierenden Qubits kostet aber Zeit. Das Verfahren der Physiker aus Saarbrücken setzt genau hier an.

“Läuft eine Rechenoperation auf diesem Prozessor also beispielsweise zwischen Bit 3 und Bit 47 ab, müssen beide so lange die Positionen tauschen, bis sie direkt nebeneinander liegen”, erläutert Professor Wilhelm-Mauch. Im ungünstigsten Fall, einer Rechenoperation zwischen Bit 1 und Bit 50, dauert sie 50mal länger als bei optimaler Anordnung eigentlich nötig wäre.

Den Saarbrücker Physikern ist es gelungen, die Qubits auch währen dieser “Reise nach Jerusalem” arbeiten zu lassen. “Statt entlang der Kette zu tauschen und dann erst mit dem Rechnen zu beginnen, wenn beide Qubits unmittelbar nebeneinander liegen, haben wir es geschafft, bereits während der Positionsverschiebung immer ein wenig zu rechnen”, so Wilhelm-Mauch weiter.

Die Verbesserung des Rechenverfahrens entwickelten sie anhand von Berechnungen zur Simulation von Molekülen, einer Aufgabe, die aktuell verfügbare Supercomputer an den Rand ihrer Leistungsfähigkeit bringt. Die Vorhersage von Moleküleigenschaften ist allerdings ein Problem, dass sich für die derzeit von Quantencomputern durchführbaren Berechnungen hervorragend eignet, da sie alle Rechenoperationen parallel verarbeiten können und nicht nacheinander abarbeiten müssen. Mit ihrer Methode haben die Saarbrückener Physiker nun eigenen Angaben zufolge gezeigt, dass sich mit den kommenden Qubit-Ketten deutlich mehr machen lässt, als man bisher angenommen hat.

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