Forscher der Universitäten Paderborn und Prag haben eine zentrale Frage des photonischen Quantencomputings untersucht: Ob Quanten-Sampling-Experimente auch unter Berücksichtigung realer experimenteller Störfaktoren auf klassischen Computern schwer nachzubilden bleiben. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die zugrundeliegende Rechenkomplexität trotz einer Vielzahl solcher Unvollkommenheiten weitgehend erhalten bleibt – ein ermutigendes Zeichen für die Bemühungen, mit lichtbasierten Geräten einen nützlichen Quantenvorteil nachzuweisen.
Die Arbeit bezieht sich auf Boson-Sampling-Experimente, bei denen Quantenlicht durch komplexe optische Schaltungen geleitet und am Ausgang detektiert wird. Es wird angenommen, dass die Vorhersage des detaillierten Musters der Messergebnisse für herkömmliche Computer mit wachsender Größe solcher Experimente außergewöhnlich schwierig wird. Zwar wurden diese Aufgaben ursprünglich entwickelt, um die Grenzen des Quantencomputings zu testen, doch sie könnten auch Anwendungen in der Chemie und bei der Lösung bestimmter graphenbezogener Probleme finden.
In der Praxis ist jedoch kein Laborsystem perfekt. Photonen können verloren gehen, Geräte können Rauschen verursachen, und Photonen verhalten sich möglicherweise nicht so identisch, wie es die ideale Theorie erfordert. Solche Fehler können die Versuchsergebnisse verändern und – was besonders wichtig ist – das Experiment klassisch leichter simulierbar machen, was den intendierten Quantenvorteil potenziell zunichtemachen würde. Die Analyse der Forscher hilft dabei, Unvollkommenheiten zu unterscheiden, die die Komplexität des Sampling-Problems nicht grundlegend auslöschen, von solchen, die potenziell schädlicher sind.
Diese Unterscheidung ist wertvoll, da sie die Entwicklung zukünftiger photonischer Quantentechnologien lenken kann. Anstatt jede Unvollkommenheit als gleich schwerwiegend zu behandeln, können Experimentier-Teams ihre Ressourcen darauf konzentrieren, die Effekte zu reduzieren, die die Rechenkomplexität am ehesten untergraben. In diesem Sinne bietet die Studie sowohl die Gewissheit, dass auch unvollkommene Geräte noch von Bedeutung sein können, als auch eine praktische Roadmap zur Verbesserung der nächsten Generation quantenoptischer Sampling-Experimente.
Die Forschung wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technik und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des PhoQuant-Projekts (Förderkennzeichen Nr. 13N16103) gefördert.
Der Artikel ist im Fachjournal Physical Review A erschienen: https://doi.org/10.1103/pddb-5z5q
Eine frei verfügbare Version ist auf dem Vordruck-Server von ArXiv herunterladbar: doi.org/10.1103/pddb-5z5q
