Messbasierte Quanteninformatik
Die messungsbasierte Quantenberechnung (MBQC) ist eines der führenden Paradigmen für Quantenberechnungen [1]. Sie unterscheidet sich jedoch stark vom Standard-Schaltungsmodell, bei dem die Einheiten direkt in einem Qubit-Register implementiert werden. Bei MBQC ist unser Ausgangspunkt ein zweidimensionaler, hoch verschränkter Quantenzustand, die Ressource. Wir haben immer noch ein Qubit-Register, das eine Dimension des Ressourcenzustands darstellt. Die andere Dimension ist nun jedoch die simulierte Zeit. Simulierte Zeit? Ja, denn wir lassen unsere Qubits sich von links nach rechts entwickeln, indem wir einen Prozess verwenden, der der Quantenteleportation ähnelt, bei der Informationen durch die Messung einzelner Qubits teleportiert werden.
MBQC ist ein faszinierendes Paradigma: Die Berechnung wird durch lokale Messungen an einem festen verschränkten Ressourcenzustand angetrieben und die Einheiten werden durch die Wahl geeigneter Messbasen implementiert. Wie sich herausstellt, kann MBQC mit bestimmten Ressourcenzuständen wie dem Clusterzustand [2] beliebige Quantenberechnungen ermöglichen. Sie ist universell!
MBQC gibt es seit fast 20 Jahren und trotzdem gibt es noch viele spannende offene Fragen, die man angehen kann. In unserer Gruppe untersuchen wir viele dieser Fragen, die vom Verständnis der ultimativen Reichweite von Quantencomputern bis hin zu praktischen Aspekten der Machbarkeit und Anwendungen reichen.
Was ist eine universelle Ressource?
Ohne Verschränkung kann MBQC nicht funktionieren. Mit wenig Verschränkung jedoch schon [3]. Gleichzeitig kann zu viel Verschränkung genauso nachteilig sein wie keine Verschränkung [4]. Was macht also eine gute Ressource für MBQC aus? Dies ist eine ziemlich schwierige Frage, auf die es noch keine vollständige Antwort gibt. Im Laufe der Jahre haben wir uns jedoch sprunghaft einer vereinheitlichenden Antwort genähert [5, 6]. Insbesondere haben wir eine faszinierende Verbindung zur Physik der kondensierten Materie hergestellt: Bestimmte Phasen der Quantenmaterie können als universelle Ressourcen für MBQC verwendet werden [7, 8, 9]. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass eine vereinheitlichende Verbindung von zellulären Quantenautomaten bereitgestellt wird, was eine völlig neue Perspektive auf die fast 20 Jahre alte MBQC eröffnet. Wir freuen uns darauf, diese Verbindung mit vielen unserer Mitarbeiter in der ganzen Welt, von Vancouver bis Berlin, zu erforschen.
Wie kann man einen Quantencomputer auf der Grundlage von MBQC implementieren?
MBQC ist ein faszinierender Rahmen, in dem eine Quantenberechnung durch einfache Ein-Qubit-Messungen an einem ursprünglich verschränkten Zustand realisiert wird. Dieser neue Ansatz macht MBQC besonders geeignet für bestimmte technologische Plattformen wie Photonen [10, 11] oder gefangene Ionen [12]. In Anbetracht der laufenden Forschung zu Ressourcen für MBQC könnte man sogar bestimmte Phasen der Materie [8, 9] finden, die in bestimmten Experimenten oder Materialien natürlich vorkommen und MBQC erleichtern. Wir freuen uns immer, mit Experimentatoren zusammenzuarbeiten und aktuelle Forschungsergebnisse und neue Implementierungen zu diskutieren.
Welche Rolle spielt die MBQC in der Quantenkommunikation?
Der Cluster-Zustand [2] und, allgemeiner, Graphen-Zustände [13] bilden die Grundlage der Standard-MBQC. Graphenzustände haben überraschende und nützliche Eigenschaften und bieten eine Spielwiese für die Untersuchung der Verschränkung [14]. Dieser Forschungszweig hatte einen bemerkenswerten Einfluss auf die Quantenkommunikation und ermöglichte erhebliche Verbesserungen bei verschiedenen Protokollen wie der Verschränkungsreinigung und Quanten-Repeatern. So konnten wir beispielsweise eine deutliche Steigerung der Robustheit dieser Protokolle gegenüber typischen Rauschquellen nachweisen. Unser Ziel ist nicht nur die Entwicklung von (speziellen) kleinen Quantenmaschinen für die praktische Anwendung in der Quantenkommunikation [15], sondern auch die Erleichterung der Entwicklung von großen Quantennetzwerken [16].
Für weitere Einzelheiten siehe [Quantum Networks].
Kann MBQC die Entscheidungsfindung in der KI verbessern?
Ressourcen für MBQC wie der Clusterzustand können für beliebige Graphen definiert werden. Interessanterweise hat das spezifische Layout des zugrunde liegenden Graphen eine Bedeutung und erleichtert verschiedene Berechnungen oder Kommunikationsszenarien [17]. Analog dazu ist die projektive Simulation ein Modell für die künstliche Intelligenz [18], bei dem die Entscheidungsfindung durch ein Gedächtnisnetzwerk modelliert wird, das durch einen gewichteten Graphen beschrieben wird. Wir arbeiten an einer Integration und Weiterentwicklung der beiden Paradigmen, um eine Quanten-KI auf der Grundlage von MBQC zu entwickeln.
Kann KI MBQC-Protokolle verbessern?
Das maschinelle Lernen hat sich als leistungsfähiges Werkzeug erwiesen, das bereits unser tägliches Leben durchdringt. Wir wollen diese Technologie für die Quanteninformationswissenschaft nutzen. Aufgrund seiner Flexibilität und breiten Anwendbarkeit kann MBQC als optimale Spielwiese dienen, um die Fähigkeiten der künstlichen Intelligenz in der Quantenphysik zu testen. In diesem Bestreben haben wir bereits gezeigt, dass Verstärkungslernen bei der Entwicklung von Quantenkommunikationsprotokollen helfen kann, und wir sind gespannt, wohin uns diese Entwicklung noch führen wird!
Weitere Einzelheiten finden Sie unter [Künstliche Intelligenz und Wissenschaft].
[1] A one-way quantum computer, R. Raussendorf und H. J. Briegel, Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001) [arXiv:quant-ph/0010033 ].
[2] Persistent entanglement in arrays of interacting particles, H. J. Briegel und R. Raussendorf, Phys. Rev. Lett. 86, 910 (2001) [arXiv:quant-ph/0004051 ].
[3] (extern) Universal quantum computation with little entanglement, M. Van den Nest, Phys. Rev. Lett. 110, 060504 (2013) [arXiv:1204.3107 ].
[4] (extern) Die meisten Quantenzustände sind zu verschränkt, um als Rechenressourcen nützlich zu sein, D. Gross, S. T. Flammia und J. Eisert, Phys. Rev. Lett 102, 190501 (2009) [arXiv:0810.4331 ].
[5] Universal resources for measurement-based quantum computation, M. Van den Nest, A. Miyake, W. Dür, H. J. Briegel, Phys. Rev. Lett. 97, 150504 (2006) [arXiv:quant-ph/0604010 ].
[6] Messungsbasierte Quantenberechnung, H. J. Briegel, D. E. Browne, W. Dür, R. Raussendorf, M. Van den Nest, Naturphysik 5 (1), 19-26 (2009) [arXiv:0910.1116 ].
[7] Measurement-based quantum computer in the gapped ground state of a two-body Hamiltonian, G. K. Brennen und A. Miyake, Phys. Rev. Lett. 101, 010502 (2008) [arXiv:0803.1478 ].
[8] Subsystem-Symmetrien, zelluläre Quantenautomaten und Berechnungsphasen der Quantenmaterie, D. T. Stephen, H. Poulsen Nautrup, J. Bermejo-Vega, J. Eisert und R. Raussendorf, Quantum 3, 142 (2019),[ arXiv:1806.08780 ].
[9] A computationally universal phase of quantum matter, R. Raussendorf, C. Okay, D.-S. Wang, D. T. Stephen, und H. Poulsen Nautrup, Phys. Rev. Lett. 122, 090501 (2019), [arXiv:1803.00095].
[10] Demonstrating elements of measurement-based quantum error correction, S. Barz, R. Vasconcelos, C. Greganti, M. Zwerger, W. Dür, H. J. Briegel, and P. Walther, Phys. Rev. A 90, 042302 (2013), [arXiv:1308.5209 ].
[12] Measurement-based quantum computation with trapped ions, B. P. Lanyon, P. Jurcevic, M. Zwerger, C. Hempel, E. A. Martinez, W. Dür, H. J. Briegel, R. Blatt, C. F. Roos, Phys. Rev. Lett. 111, 210501 (2013), [arXiv:1308.5102 ].
[13] Multiparty entanglement in graph states, M. Hein, J. Eisert, and H. J. Briegel, Phys. Rev. A 69, 062311, [arXiv:quant-ph/0307130 ].
[15] Messbasierte Quantenkommunikation, M. Zwerger, H. J. Briegel, und W. Dür, Appl. Phys. B 122, 50 (2016) [arXiv:1308.5209 ].
[16] Modulare Architekturen für Quantennetzwerke, A. Pirker, J. Wallnöfer, and W. Dür, New J. Phys. 20, 053054 (2018)[arXiv:1711.02606].
[17] Maschinelles Lernen für die Quantenkommunikation über große Entfernungen, J. Wallnöfer, A. A. Melnikov, W. Dür, und H. J. Briegel, PRX Quantum 1, 010301 (2020) [arXiv:1904.10797 ].
[18] Projektive Simulation für künstliche Intelligenz, H. J. Briegel und G. De las Cuevas, Sci. Rep. 2, 400 (2012) [arXiv:1104.3787].