Quantenrechnen im Takt des Lichts: Warum diese Erfindung aus Paderborn so vielversprechend ist

Quantenrechnen im Takt des Lichts: Forschende machen photonische Systeme skalierbarer Ein Lichtteilchen folgt dem nächsten. Sie bewegen sich durch dieselben Glasfaserschleifen, erreichen dieselben optischen Bauteile – aber nicht zur gleichen Zeit. Winzige zeitliche Abstände sorgen dafür, dass jedes Photon dennoch gezielt angesprochen und verarbeitet werden kann.

Was zunächst wie eine präzise Choreografie des Lichts klingt, könnte eine der größten Herausforderungen des Quantencomputings entschärfen: Wie lassen sich immer mehr Quanteninformationen verarbeiten, ohne dass die dafür nötige Hardware unüberschaubar groß und kompliziert wird?

Ein Forschungsteam des Instituts für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn hat dafür eine neuartige, vollständig rekonfigurierbare Zeitmultiplex-Architektur erprobt. In diesem System gelang es, ein sogenanntes C-NOT-Gatter mit einer gemessenen Wahrheitstabellen-Genauigkeit von 93,8 Prozent bei einer Unsicherheit von 1,4 Prozentpunkten umzusetzen. Die Ergebnisse wurden nach wissenschaftlicher Begutachtung in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. das C-NOT-Gatter so wichtig ist

Klassische Computer verarbeiten Informationen als Bits, die entweder den Wert null oder eins annehmen. Quantencomputer arbeiten dagegen mit Qubits. Diese können sich in Überlagerungszuständen befinden und über die sogenannte Verschränkung miteinander verbunden werden.

Damit daraus tatsächlich ein programmierbarer Quantencomputer entsteht, müssen Qubits durch logische Operationen gezielt verändert und miteinander verknüpft werden. Eine der wichtigsten Operationen ist das Controlled-NOT- oder C-NOT-Gatter.

Es arbeitet mit zwei Qubits: einem Kontroll-Qubit und einem Ziel-Qubit. Abhängig vom Zustand des ersten Qubits wird der Zustand des zweiten verändert. Gemeinsam mit frei einstellbaren Operationen an einzelnen Qubits gehört das C-NOT-Gatter zu einem universellen Baukasten, mit dem sich grundsätzlich beliebige gatterbasierte Quantenschaltungen zusammensetzen lassen. onischen Systemen ist diese Operation allerdings besonders anspruchsvoll. Photonen sind äußerst gut gegen viele störende Einflüsse ihrer Umgebung abgeschirmt. Das macht sie zu attraktiven Trägern von Quanteninformationen. Gleichzeitig wechselwirken Lichtteilchen unter gewöhnlichen Bedingungen kaum direkt miteinander – genau diese Wechselwirkung wäre für logische Verknüpfungen jedoch hilfreich. chenden erzeugten den benötigten Effekt deshalb mithilfe kontrollierter Interferenz, zusätzlicher optischer Zustände und genau ausgewählter Koinzidenzmessungen.

Viele Qubits, aber nur ein räumlicher Lichtweg Bei bisherigen photonischen Aufbauten werden Informationen häufig über unterschiedliche räumliche Lichtpfade verteilt. Für wenige Qubits ist das machbar. Mit jedem zusätzlichen Pfad wächst jedoch die Zahl der Strahlteiler, Phasenschieber, Leitungen und Justierungen.

Das Paderborner Team wählte einen anderen Weg: Die Quanteninformationen werden nicht hauptsächlich durch immer neue räumliche Kanäle voneinander getrennt, sondern durch unterschiedliche Zeitfenster .

Beim sogenannten Zeitmultiplexing bewegen sich Photonen nacheinander durch dasselbe optische System. Jedes Zeitfenster bildet dabei einen eigenen Modus, der gezielt verändert werden kann. Schnelle elektrooptische Modulatoren bestimmen für jedes Zeitfenster, wie das Licht durch kurze und lange Glasfaserschleifen geleitet wird und mit welchen anderen Lichtpulsen es interferiert. cht gesagt nutzt das System seine optischen Komponenten mehrfach. Statt für jede neue Rechenoperation einen weiteren physischen Lichtweg aufzubauen, werden vorhandene Bauteile zu exakt programmierten Zeitpunkten neu eingestellt.

Das ähnelt einer Bahnstrecke, auf der viele Züge nacheinander fahren und an digital gesteuerten Weichen jeweils unterschiedliche Routen erhalten. Entscheidend ist nicht nur, wo sich ein Zug befindet, sondern auch, wann er einen bestimmten Punkt erreicht.

Ein optischer Prozessor, der sich umprogrammieren lässt Die Architektur arbeitet mit schnellen elektrooptischen Modulatoren, deren Einstellungen während des Betriebs verändert werden können. Dadurch ist das System nicht auf eine einzige fest verdrahtete Schaltung beschränkt.

Im Experiment konnten die Forschenden sowohl Operationen an einzelnen Qubits als auch das C-NOT-Gatter ausführen. Durch die Kombination beider Elemente erzeugten sie zudem alle vier grundlegenden Bell-Zustände – verschränkte Zustände zweier Qubits, die unter anderem für Quantenkommunikation, Quantenteleportation und zahlreiche Quantenprotokolle von Bedeutung sind. ssenen Zustandsgenauigkeiten der vier Bell-Zustände lagen zwischen rund 78 und 86 Prozent . Diese Werte zeigen, dass die gewünschte Verschränkung tatsächlich hergestellt wurde. Sie verdeutlichen aber zugleich, dass noch technische Verbesserungen notwendig sind, bevor solche Systeme für umfangreiche, fehlerkorrigierte Quantenberechnungen genutzt werden können. u 60 optische Modi in einem Aufbau

Der aktuelle Versuchsaufbau kann bis zu 30 zeitlich getrennte Abschnitte verarbeiten. In Kombination mit der zusätzlich genutzten Polarisation des Lichts ergeben sich insgesamt bis zu 60 mögliche Ein- und Ausgangsmodi.

Grundsätzlich lässt sich die Zahl der Zeitfenster durch längere Schleifen oder angepasste Komponenten erhöhen. Allerdings entstehen dabei neue Herausforderungen: Mit jeder weiteren Runde durch das System können Photonen verloren gehen, und kleine Abweichungen bei der zeitlichen Überlagerung oder bei den optischen Eigenschaften der Lichtteilchen beeinträchtigen die Qualität der Berechnung. aben der Studie waren vor allem zwei Faktoren für die verbliebenen Abweichungen verantwortlich: eine geringe Restunterscheidbarkeit zwischen den verwendeten Photonen und unerwünschte Mehrphotonenereignisse bei ihrer Erzeugung. Selbst bei einem ideal arbeitenden Gatter hätten diese Effekte die gemessene Genauigkeit im konkreten Aufbau auf höchstens etwa 95 Prozent begrenzt. Mit den erreichten 93,8 Prozent kam die programmierte Schaltung dieser experimentellen Grenze bereits nahe. die Geschwindigkeit deutlich steigen könnte

Der derzeitige Aufbau arbeitet mit elektrooptischen Komponenten, deren Bandbreite auf 6,7 Megahertz begrenzt ist. Deshalb müssen die einzelnen Zeitfenster rund 170 Nanosekunden auseinanderliegen.

Schnellere Modulatoren mit Frequenzen von bis zu 100 Megahertz könnten diese Abstände erheblich verkürzen. Nach Berechnungen des Forschungsteams wären dadurch kompaktere Glasfaserschleifen, geringere Verluste und bis zu 30-mal höhere experimentelle Datenraten möglich. Die Effizienz innerhalb der Schleifen könnte dabei auf etwa 90 Prozent steigen. schritt liegt somit nicht allein in der Genauigkeit eines einzelnen Gatters. Entscheidend ist die Verbindung mehrerer Eigenschaften: Das System nutzt nur einen räumlichen Hauptpfad, kann viele zeitliche Modi verarbeiten, lässt sich schnell umprogrammieren und unterstützt sowohl einzelne als auch miteinander gekoppelte Qubit-Operationen.

Kein fertiger Quantenchip – aber eine wichtige Grundlage Bei aller Zuversicht ist eine klare Einordnung wichtig: In Paderborn wurde noch kein einsatzbereiter universeller Quantencomputer gebaut. Auch handelt es sich nicht um einen fertigen, miniaturisierten Quantenchip für industrielle Anwendungen.

Das demonstrierte C-NOT-Gatter arbeitet postselektiert . Das bedeutet, dass erst anhand bestimmter Detektionsmuster erkannt wird, bei welchen Versuchsdurchläufen die gewünschte Operation erfolgreich stattgefunden hat. Im Experiment wurden nach mehreren Schleifendurchläufen etwa 4.000 Zwei-Photonen-Ereignisse pro Stunde registriert, von denen ungefähr 450 als erfolgreiche Gatterereignisse ausgewählt wurden. e Quantencomputer müssen künftig unter anderem die Photonenerzeugung, Übertragungseffizienz, Detektion, Fehlertoleranz und die Erfolgswahrscheinlichkeit komplexer Operationen weiter verbessert werden.

Dennoch ist die Arbeit relevant: Sie zeigt experimentell, dass sich eine zentrale Zwei-Qubit-Operation in einer dynamischen Zeitmultiplex-Plattform realisieren und mit Einzel-Qubit-Operationen verbinden lässt. Parallel dazu hat das Paderborner Team theoretische Verfahren entwickelt, mit denen sich beliebige lineare Transformationen auf vergleichbare zeitmultiplexierte Architekturen übertragen lassen. Dadurch entsteht schrittweise ein Baukasten für universell programmierbare photonische Prozessoren. als wiederverwendbare Rechenressource

Die eigentliche Stärke der Entwicklung liegt in einem einfachen Gedanken: Mehr Rechenleistung muss nicht zwangsläufig mehr nebeneinander aufgebaute Hardware bedeuten.

Indem Photonen zeitlich sortiert und vorhandene Komponenten mehrfach genutzt werden, könnten zukünftige Quantenschaltungen kompakter, flexibler und leichter skalierbar werden. Noch trennen das Laborgerät viele Entwicklungsschritte von einem praktisch einsetzbaren Quantencomputer. Doch das Experiment zeigt, dass sich selbst komplexe Quantenlogik in einem einzigen rekonfigurierbaren Lichtsystem organisieren lässt.

Manchmal entsteht Fortschritt nicht dadurch, dass immer mehr Wege gebaut werden – sondern indem derselbe Weg im richtigen Takt immer intelligenter genutzt wird.