Quanten-Fehlerkorrektur

Studienarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Informatik - Angewandte Informatik, Technische Universität Dortmund, Sprache: Deutsch, Abstract: Es hat sich in den letzten Jahren gezeigt, dass man unter Ausnutzung quantenmechanischer Eigenschaften bestimmte Rechnungen auf Quanten-Computern im Vergleich zu klassischen Systemen deutlich beschleunigen kann. Obwohl die These, dass Quanten-Computer von klassischen Computern nicht in Polynomialzeit simuliert werden können, bisher unbewiesen ist, so deuten doch viele Erkenntnisse hierauf hin. Was aber bei den bisher vorgestellten Quanten-Algorithmen immer stillschweigend vorausgesetzt wurde ist, dass in der Rechnung alle Operationen fehlerfrei ausgeführt werden bzw. die Fehlerwahrscheinlichkeit so gering ist, dass man sie vernachlässigen kann. Dies trifft vielleicht bei klassischen Systemen zu, die durch Verstärkung und Dissipation eine bemerkenswert hohe Stabilität erreichen, bei quantenmechanischen Systemen hingegen verhält es sich aber komplett anders. Quanten-Rechner sind extrem anfällig gegen Rauschen und unpräzise Operationen. Zudem sind klassische Methoden zur Stabilisierung wie Dissipation und Verstärkung auf Quantenebene nicht anwendbar. Zusammengefasst heißt das, Fehler sind unvermeidbar und treten schon nach relativ kurzer Rechenzeit auf. Die Hauptursache für Quantenfehler sind Wechselwirkungen mit der Umgebung. Da Quanten-Computer nicht vollständig von der Umgebung isoliert werden können, ist das sogenannte Phänomen der Dekohärenz unvermeidbar. Lange Rechnungen sind also ohne weiteres nicht durchführbar auf Quanten-Computern, da früher oder später die Dekohärenz die im Quantenspeicher codierte Information zerstört. Der Ausweg heißt hier Quanten-Fehlerkorrektur. Fehlerkorrekturalgorithmen sind bereits bekannt aus klassischen Computersystemen und werden hier zum Beispiel benutzt um Informationen sicher über einen stark rauschbehafteten Kanal (noisy channel) zu transportieren. Solche Algorithmen können angepasst werden an die speziellen Eigenschaften quantenmechanischer Systeme und so die Fehlerwahrscheinlichkeit für Quantenspeicher senken. Zusammenfassend lässt sich vor diesem Hintergrund also festhalten, dass Quanten-Fehlerkorrektur-Algorithmen praktisch unerlässlich sind, um irgendwelche längeren Berechungen auf Quanten-Computern sicher durchführen zu können.