In dieser auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlichten Studie entwarfen die Wissenschaftler ein ausgeklügeltes Experiment mit zwei virtuellen Entitäten namens Alice und Bob. Alice bereitet einen bestimmten Quantenzustand vor, den sie an Bob übermittelt, der ihn dann messen und seine Natur identifizieren muss, noch bevor Alice ihre Vorbereitung abgeschlossen hat. Diese Prozedur wurde über 10.000 Mal wiederholt, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, und demonstrierte so die Fähigkeit aktueller Quantenprozessoren, anspruchsvolle Quantenzustände zu manipulieren.
Die eingehende Analyse der Daten zeigte spektakuläre Unterschiede zwischen den quantenmechanischen und klassischen Ansätzen. Um diese Aufgabe mit derselben Erfolgsrate zu bewältigen, würde ein traditioneller Computer mindestens 62 Bits konventionellen Speichers benötigen. Im Gegensatz dazu verwendete die Quantenvorrichtung nur 12 Qubits, diese grundlegenden Einheiten der Quanteninformation, die dank des Prinzips der Quantenüberlagerung in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können.
Die Forscher betonen, dass dieser Nachweis der bislang direkteste Beweis dafür ist, dass existierende Quantenprozessoren verschränkte Zustände von ausreichender Komplexität erzeugen und manipulieren können, um die Exponentialität des Hilbert-Raums zu nutzen. Dieser abstrakte mathematische Raum repräsentiert die gewaltige Speicherressource von Quantencomputern, wo Information viel dichter gespeichert werden kann als in klassischen Systemen.
Dieser Durchbruch eröffnet konkrete Perspektiven für praktische Anwendungen in verschiedenen Bereichen. In der Kryptographie könnte er die Entwicklung sichererer Kommunikationssysteme ermöglichen, während er in der Modellierung die Entdeckung neuer Medikamente und die Entwicklung innovativer Materialien erheblich beschleunigen würde. Diese Demonstration markiert somit einen wichtigen Schritt zur tatsächlichen Nutzung des Quantenpotenzials.
Qubits und Quantenüberlagerung
Qubits unterscheiden sich grundlegend von klassischen Bits durch ihre Fähigkeit, in mehreren Zuständen gleichzeitig zu existieren. Während ein traditionelles Bit nur 0 oder 1 sein kann, kann sich ein Qubit in einer Überlagerung dieser beiden Zustände befinden.
Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht es Quantencomputern, exponentielle Informationsmengen im Vergleich zu klassischen Systemen zu verarbeiten. Wenn mehrere Qubits kombiniert werden, erhöht sich die Anzahl möglicher Zustände exponentiell, was eine Rechenleistung schafft, die in der konventionellen Informatik unerreicht ist.
Die Manipulation von Qubits beruht auf subtilen Quantenphänomenen, die extreme Umweltbedingungen erfordern, insbesondere Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Die Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz, also die Bewahrung der Überlagerungszustände, stellt eine der größten technischen Herausforderungen bei der Entwicklung industrialisierbarer Quantencomputer dar.
Die potenziellen Anwendungen dieser Technologie gehen weit über einfache Berechnungen hinaus und betreffen Bereiche wie Molekülsimulation, Optimierung und Kryptographie, wo die einzigartigen Eigenschaften von Qubits entscheidende Vorteile bieten.