Quantentechnologien sollen Lösungen für große Herausforderungen unserer Zeit liefern: für komplexe Zusammenhänge im Bereich der Energiewende, die Medikamentenforschung oder abhörsichere Kommunikation. Außerdem bilden sie die Grundlage für Quantencomputer mit bisher unerreicht hoher Rechenleistung.
Quantentechnologien sollen Lösungen für große Herausforderungen unserer Zeit liefern: für komplexe Zusammenhänge im Bereich der Energiewende, die Medikamentenforschung oder abhörsichere Kommunikation. Außerdem bilden sie die Grundlage für Quantencomputer mit bisher unerreicht hoher Rechenleistung.
Noch ist es nicht gelungen, ausreichend robuste Systeme zu realisieren. An der Universität Paderborn haben es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt geschafft, Europas größten Sampling-basierten Quantencomputer zu bauen, den PaQS (Paderborn Quantum Sampler). Dieser ist im Rahmen einer Förderinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung von Mitarbeitern der Universität Paderborn gemeinsam mit den Partnern Menlo Systems, Fraunhofer IOF Jena und Swabian Instruments aufgebaut worden. In Kürze soll ein zweiter Sampling-basierter Quantencomputer mit Cloud Access in Jena in Betrieb gehen.
Eine technische Herausforderung besteht darin, dass Quantencomputer empfindlich gegenüber Systemunvollkommenheiten sind. Daran arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit an verschiedenen experimentellen Plattformen mit jeweils unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Photonische Netzwerke z.B. können bei Raumtemperatur betrieben und in miniaturisierten, programmierbaren Schaltungen implementiert werden. Photonische Quantencomputer nutzen Licht zur Durchführung von Quantenberechnungen, während andere Ansätze für Quantencomputing z.B. auf supraleitenden Qubits oder gefangenen Ionen basieren. Vorteile von photonischen Quantencomputern sind u.a. Skalierbarkeit und hohe Taktraten. Aber sie haben mit optischen Verlusten zu kämpfen. Diesem Problem stellt sich das Projekt mit der führenden Expertise Deutschlands in der integrierten Photonik. Dem Forscherteam ist es gelungen, einen sogenannten ‚Gaußschen Boson Sampler‘ zu realisieren, der aus skalierbaren Bauelementen besteht. Dafür mussten viele Komponenten erst neu entwickelt werden. Mit dieser Sampling-Maschine ist jede gewünschte Konfiguration möglich.
‚Gequetschtes‘ Licht
Das Gaußsche-Bosonen-Sampling ist ein Modell des photonischen Quantencomputers, das als Plattform für den Bau von Quantengeräten Aufmerksamkeit erlangt hat. Die Forscher verwenden ein voll programmierbares und integriertes Interferometer, mit dem jede gewünschte Konfiguration umgesetzt werden kann. So werden Lichtteilchen in einem Netzwerk von Lichtwellenleitern verteilt und gelenkt. Am Ausgang des Netzwerks misst man, wo die Photonen aus dem Netzwerk herauskommen. Relevant könnte das z.B. nach Auffassung der beteiligten Wissenschaftler für die Lösung von Proteinfaltungsproblemen oder die Berechnung molekularer Zustände im Rahmen der Medikamentenforschung sein.
Quantenmechanische Phänomene wie das sogenannte Quetschen und die Überlagerung oder Verschränkung von Photonen sorgen für die hohe Rechenleistung von Quantencomputern. Am Anfang steht dabei immer die Erzeugung einer bestimmten Quantenressource. Bei dem Gaußschen-Bosonen-Sampling ist diese Ressource als ‚Squeezing‘ oder ‚gequetschtes Licht‘ bekannt, dessen quantenmechanische Eigenschaften manipuliert und damit nutzbar gemacht wurden.
