Wiener Forschende zeigen Grenzen von Quantencomputern auf
Quantencomputer gelten als das Nonplusultra, was die Rechenleistung angeht, doch auch sie haben ihre Grenzen. Das zeigen Berechnungen der TU Wien. Diese Grenzen werden von der verwendeten Uhr bestimmt, denn perfekte Uhren sind unmöglich.
Quantencomputer haben ihre Grenzen, die insbesondere durch die niemals präzise Uhren bestimmt werden.
Foto: Panthermedia.net
Es existieren verschiedene Konzepte zur Entwicklung von Quantencomputern, die jedoch alle ein gemeinsames Merkmal aufweisen: Die Nutzung quantenphysikalischer Systeme, wie beispielsweise einzelner Atome, um deren Zustände gezielt zu verändern. Dies geschieht durch die gezielte Einwirkung bestimmter Kräfte über einen definierten Zeitraum. Und genau dies ist der Knackpunkt, denn es benötigt eine möglichst präzise Uhr, damit die Quantenoperation das gewünschte Ergebnis liefert. Allerdings gibt es die perfekte Zeitmessung nicht.
Wieso gibt es keine perfekte Uhr?
Jede Uhr weist zwei grundlegende Eigenschaften auf: Präzision und Zeitauflösung. Die Zeitauflösung bestimmt die kleinsten messbaren Zeitintervalle und somit die Häufigkeit der Zeitmessungen, also wie oft die Uhr „tickt“. Präzision hingegen beschreibt die Ungenauigkeit, die bei jeder einzelnen Zeitmessung zu berücksichtigen ist.
Das Forschungsteam der TU Wien hat in seinen Untersuchungen herausgestellt, dass aufgrund der begrenzten verfügbaren Energie (bzw. der erzeugten Entropie) keine Uhr jemals gleichzeitig eine perfekte Zeitauflösung und perfekte Präzision erreichen kann. Diese Erkenntnis hat wichtige Implikationen für die Möglichkeiten von Quantencomputern. In zwei aktuellen Veröffentlichungen wurden diese Erkenntnisse nun der Fachwelt zugänglich gemacht.
Warum sind perfekte Uhren so wichtig?
In unserer klassischen Welt sind perfekte Rechenoperationen unkompliziert durchzuführen. Ein einfaches Beispiel hierfür ist die Verwendung eines Abakus, bei dem Holzkügelchen auf einem Stab aufgereiht sind und hin- und herbewegt werden. Jedes Holzkügelchen besitzt einen eindeutigen Zustand und verweilt an einem bestimmten Ort, solange keine äußeren Einflüsse wirken. Die Geschwindigkeit, mit der man das Kügelchen bewegt, hat keinen Einfluss auf das Ergebnis.
Im Gegensatz dazu gestaltet sich die Veränderung eines Quantenzustands in der Quantenphysik wesentlich komplexer. Wie Jake Xuereb, Erstautor des ersten Papers und Forscher am Atominstitut der TU Wien im Team von Marcus Huber, erklärt: „Einen Quantenzustand im Quantencomputer zu verändern, entspricht mathematisch gesehen einer Drehung in höheren Dimensionen. Damit man am Ende den gewünschten Zustand erreicht, muss die Drehung für einen ganz bestimmte Zeitraum angewendet werden. Sonst dreht man den Zustand entweder zu kurz oder zu weit“.
Welche Gesetze müssen für jede Uhr gelten?
Das Team um Marcus Huber untersuchte, welche Gesetze für jede erdenkliche Uhr jederzeit gelten müssen. „Zeitmessung hat immer mit Entropie zu tun“, erklärt Marcus Huber. In jedem abgeschlossenen physikalischen System nimmt die Entropie stetig zu, was zu einer zunehmenden Unordnung führt. Diese Entwicklung bestimmt die Richtung der Zeit: Die Zukunft befindet sich dort, wo die Entropie höher ist, während die Vergangenheit dort liegt, wo die Entropie noch geringer war.
Es lässt sich zeigen, dass jede Form von Zeitmessung zwangsläufig mit einer Erhöhung der Entropie einhergeht. Betrachten wir beispielsweise eine Uhr, die eine Batterie nutzt. Die Energie der Batterie wird letztendlich durch die Mechanik der Uhr in Reibungswärme und hörbares Ticken umgewandelt, wobei ein geordneter Zustand in der Batterie in einen ungeordneten Zustand von Wärmestrahlung und Schall übergeht.
Auf Grundlage dieser Prinzipien konnte das Forschungsteam ein mathematisches Modell entwickeln, dem grundsätzlich jede denkbare Uhr folgen muss. „Bei gegebener Entropiezunahme gibt es einen Tradeoff zwischen Zeitauflösung und Präzision“, sagt Florian Meier, der Erstautor der zweiten Publikation. „Das heißt: Entweder die Uhr arbeitet schnell oder sie arbeitet exakt – beides gleichzeitig ist nicht möglich.“
Quantencomputer haben ihre Grenzen
Die durch die Berechnungen gewonnenen Erkenntnisse lassen darauf schließen, dass es für Quantencomputer eine natürliche Grenze gibt: Die Auflösung und Präzision, die mithilfe von Zeitmessungen erreichbar sind, stellen Limitierungen für die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit dar, die in Quantencomputern erzielt werden können.
„Derzeit ist das noch kein Problem“, sagt Marcus Huber. „Momentan ist die Genauigkeit von Quantencomputern noch durch andere Größen limitiert, zum Beispiel durch die Präzision der verwendeten Bauteile oder elektromagnetischen Felder. Aber unsere Rechnungen zeigen auch: Man ist heute nicht mehr weit von dem Bereich entfernt, in dem die fundamentalen Grenzen der Zeitmessung die entscheidende Rolle spielen.“
Auch die Uhr derzeit noch kein Problem darstellt, könnte sich das mit der Weiterentwicklung der Technik von Quanten-Informationsverarbeitung ändern. Dann kann es durchaus passieren, dass die Wissenschaft mit dem Problem nicht-optimaler Zeitmessung zu kämpfen hat. Es ist jedoch durchaus möglich, dass gerade diese Herausforderung neue Einblicke in die Welt der Quantenphysik ermöglicht, so das Forschungsteam.
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