Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

Die Natur ist voller Systeme, die aus dem Ruder zu laufen scheinen. Wetterlagen wirbeln zu Stürmen zusammen, Verkehrsstaus bilden sich durch die geringste Verzögerung, und Populationen von Räuber und Beute steigen und fallen in unvorhersehbaren Zyklen. Doch innerhalb dieser scheinbaren Zufälligkeit entsteht oft Ordnung. Jetstreams organisieren sich aus der Turbulenz, und neuronale Aktivität synchronisiert sich zu den stetigen Rhythmen des Gehirns. Wissenschaftler wissen schon lange, dass sie chaotische Systeme lenken können, indem sie diese genau beobachten und winzige, rechtzeitige Anpassungen vornehmen. Dieses Prinzip der Chaossteuerung hat geholfen, Laser zu stabilisieren und sogar Raumfahrzeuge durch instabile Gravitationsregionen zu führen. Nun fragen Forscher, ob dieselbe Idee auch in der seltsamen, fragilen Welt der Quantenmechanik funktionieren kann, in der Teilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren und leicht durch ihre Umgebung gestört werden.

Die Herausforderung im Quantenreich ist immens. Quantensysteme sind unglaublich empfindlich; das kleinste Rauschen oder der kleinste Fehler kann die empfindlichen Informationen, die sie halten, zerstören. Traditionelle Methoden zur Steuerung von Quantensystemen scheitern oft, weil der Akt der Messung selbst ihr Verhalten verändert. Es hat sich jedoch ein neuer Ansatz herauskristallisiert, der eine Kombination aus zufälligen Quantenoperationen und ständiger Überwachung nutzt. Indem man Teile eines Quantensystems misst und diese Information dann nutzt, um andere Teile in Echtzeit zurückzusetzen oder zu korrigieren, können Wissenschaftler eine Rückkopplungsschleife erzeugen. Dieser Prozess, bekannt als adaptiver Schaltkreis, ermöglicht es Forschern, ein Quantensystem von Chaos weg und hin zu einem spezifischen, stabilen Zustand zu steuern – eine effektive Bändigung des Quantensturms.

In einer kürzlich durchgeführten Studie testete ein Team von Forschern unter der Leitung von Wissenschaftlern von IBM und der Rutgers University dieses Konzept in großem Maßstab. Sie bauten einen Quantenschaltkreis auf einem supraleitenden Prozessor, der eine berühmte mathematische Modell bekannt als Bernoulli-Abbildung nachahmt. In ihrer klassischen Form nimmt diese Abbildung eine Zahl, verdoppelt sie und behält nur den Bruchteil bei – ein Prozess, der jeden Startwert schnell in Chaos verwandelt. Die Forscher erschufen eine Quantenversion dieser Abbildung, bei der das „Scrambling“ (das Durcheinanderbringen) durch zufällige Quantengatter erfolgt, die die Informationen der Qubits miteinander vermischen. Um diesem Chaos entgegenzuwirken, führten sie einen Kontrollmechanismus ein: In zufälligen Intervallen würden sie ein spezifisches Qubit messen und es basierend auf dem Ergebnis in einen bekannten Ausgangszustand zurücksetzen. Dies erzeugte einen Wettbewerb zwischen den Scrambling-Kräften, die versuchen, die Information überall zu verbreiten, und den Kontrollkräften, die versuchen, das System auf einen einzigen, geordneten Zustand festzupinnen.

Das Experiment wurde auf einem IBM-Quantenprozessor mit bis zu einhundert Qubits durchgeführt, was einen bedeutenden Schritt nach oben gegenüber früheren Versuchen darstellt, die auf nur wenige Dutzend begrenzt waren. Die Forscher ließen den Schaltkreis über tausende Schritte laufen, bis das System einen stationären Zustand erreichte. Sie untersuchten dann, wie sich das System verhielt, während sie die Häufigkeit der Kontrollmessungen anpassten. Wenn die Kontrolle schwach war, blieb das System chaotisch, wobei die Information über alle Qubits in einem komplexen, verschränkten Netz verteilt war. Als sie die Häufigkeit der Messungen und Resets erhöhten, vollzog das System plötzlich einen Sprung. Es ging von diesem chaotischen, quantenmechanischen Zustand in einen kontrollierten, geordneten Zustand über, in dem sich die Qubits in einem vorhersagbaren Muster einpendelten. Dieser Übergang, bekannt als Phasenübergang, geschah an einem präzisen Kipppunkt, an dem die Kontrollkräfte das Chaos schließlich überwanden.

Was diese Entdeckung besonders bedeutsam machte, war die Fähigkeit, den Übergang nicht nur im Durchschnittsverhalten des Systems, sondern in den Fluktuationen einzelner Quantenpfade zu beobachten. In einem klassischen System erhält man das gleiche Ergebnis, wenn man dasselbe Experiment zweimal durchführt. In einem Quantensystem produziert jeder Durchlauf aufgrund der zufälligen Natur der Messung selbst bei exakt demselben Aufbau ein leicht anderes Ergebnis. Die Forscher maßen diese Unterschiede, bekannt als Quantenfluktuationen, und fanden heraus, dass sie sich am Kipppunkt auf eine sehr spezifische Weise verhielten. Diese Fluktuationen wuchsen und schrumpften gemäß universellen Gesetzen, die den theoretischen Vorhersagen mit hoher Präzision entsprachen. Dies bestätigte, dass das System tatsächlich als Quantenobjekt agierte und den komplexen Regeln der Quantenmechanik folgte, anstatt lediglich wie ein verrauschter klassischer Computer zu fungieren.

Um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse echt waren, verglich das Team seine experimentellen Daten mit zwei verschiedenen Arten von Computersimulationen. Eine Simulation modellierte das System als perfekten Quantencomputer, während die andere das System als klassischen Computer modellierte, der jeglicher Quantenkohärenz beraubt worden war – im Wesentlichen ein verrauschter, zufälliger Prozess. Die experimentellen Daten stimmten viel enger mit der perfekten Quantensimulation überein als mit der klassischen. Dies lieferte einen starken Beweis dafür, dass der Quantenprozessor erfolgreich die komplexe adaptive Kontrolle ausführte und seine Quantennatur selbst während der ständigen Messung und des Resets beibehielt. Die Studie zeigte auch, dass der Übergang von Chaos zu Ordnung nicht nur eine Änderung des Systemzustands war, sondern ein fundamentaler Wechsel von Quantenverhalten zu effektiv klassischem Verhalten, bei dem das System so geordnet wurde, dass es die für die Quantenmechanik typische komplexe Verschränkung nicht mehr aufwies.

Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Meilenstein in der Entwicklung der Quantentechnologie dar. Durch die erfolgreiche Koordination tausender Quantenoperationen, einschließlich Messungen und Resets, an einer großen Anzahl von Qubits demonstrierten die Forscher ein Maß an Kontrolle, das für den Bau zukünftiger fehlertoleranter Quantencomputer unerlässlich ist. Diese Maschinen müssen ständig ihre eigenen Fehler überwachen und korrigieren, um funktionieren zu können, und dieses Experiment zeigt, dass eine solche adaptive Kontrolle selbst in Gegenwart von Rauschen möglich ist. Die Fähigkeit, diese Übergänge in echter Quantenhardware zu beobachten und zu verstehen, bringt Wissenschaftler einen entscheidenden Schritt näher daran, die volle Kraft der Quantenmechanik zu nutzen, um Probleme zu lösen, die für klassische Computer derzeit unlösbar sind. Die Studie beweist, dass mit den richtigen Werkzeugen selbst die chaotischsten Quantensysteme in einen Zustand der Ordnung gelenkt werden können, was die Tür zu einer neuen Ära der Quantenkontrolle öffnet.