Ein Problem für IBMs Quantencomputer gelöst durch... ein einfaches Smartphone? 💾

Quantencomputer sollen die wissenschaftliche Berechnung revolutionieren, aber Forscher haben kürzlich gezeigt, dass ein klassischer Computer sie manchmal übertreffen kann. Mit fortschrittlichen mathematischen Modellen konnte ein Team ein komplexes Problem der Quantenphysik lösen, das ursprünglich als unzugänglich ohne einen klassischen Computer galt.


Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in einem Phänomen namens "Einschluss", das die Ausbreitung von Verschränkungs-Effekten im System einschränkt. Diese Entdeckung, veröffentlicht in Physical Review Letters, wirft ein neues Licht auf die unscharfe Grenze zwischen den Leistungen klassischer und quantenbasierter Computer.

Joseph Tindall, Forscher am Flatiron Institute, und sein Team untersuchten ein Modell magnetischer Spins in einem zweidimensionalen Netzwerk. In diesem Modell agiert jeder „Spin“ wie ein winziger Magnet, der nach oben oder unten zeigen kann oder sogar in einer Überlagerung beider Zustände existiert. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, beginnen die Spins, miteinander zu interagieren, was eine Verschränkung erzeugt, also eine quantenmechanische Verbindung zwischen ihren Zuständen.

Tindall beobachtete jedoch, dass diese Verschränkung auf kleine Gruppen benachbarter Spins beschränkt blieb, anstatt sich auf das gesamte System auszubreiten. Diese Einschränkung verringert die Komplexität der Berechnung und macht es möglich, sie mit einem klassischen Computer zu lösen. Diese unerwartete Vereinfachung ist das Ergebnis der spezifischen Architektur des Systems, die die Verschränkungs-Effekte lokal begrenzt.

IBM hatte ein komplexes magnetisches Simulationsproblem entworfen, um seine Quantencomputer auf die Probe zu stellen. Ihren Forschern zufolge hätte diese Berechnung für einen klassischen Computer unmöglich sein sollen. Aber innerhalb von zwei Wochen bewies Tindall, dass er es mit einem klassischen Modell schaffen konnte – und sogar mit den Fähigkeiten eines Smartphones.

Sein Ansatz basiert auf klassischen Techniken, die zwar bekannt, aber selten in der Quanten-Simulation angewendet werden. Durch eine geschickte Kombination von Methoden zeigte Tindall, dass der Verschränkungs-Einschluss das Problem so weit vereinfachte, dass es ohne Quanten-Technologien lösbar war.

Der Einschluss funktioniert in diesem Zusammenhang ähnlich wie die Quark-Einschließung in der Teilchenphysik. Das bedeutet, dass die Spins des Systems weitgehend geordnet bleiben und nicht chaotisch werden. Dieses Verhalten, das weit entfernt von dem ist, was man für ein "freies" Quantensystem erwartet, begrenzt die Verschränkung und reduziert somit die Berechnungskomplexität.

Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten, um zu bewerten, wo Quantencomputer tatsächlich klassische Computer übertreffen könnten.

Die von Tindall und seinen Kollegen entwickelten Algorithmen könnten somit zu Referenzwerkzeugen für zukünftige Experimente werden. Diese Studie stellt einen Schritt nach vorne dar, um die Grenze zwischen den Fähigkeiten klassischer und quantenbasierter Computer klarer zu definieren.