Effizienter Prototyp

Quantencomputer aus Wien rechnet mit Lichtteilchen

(Bild: Philip Walther Gruppe, Universität Wien)

Auf dem Weg zu einer immer effektiveren Verarbeitung von Informationen gelten Quantencomputer als äußerst aussichtsreiche Kandidaten. Sie sollen künftig bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen können als klassische Rechner. Forscher aus Wien und Jena haben jetzt einen neuen, hocheffizienten Prototyp eines Quantencomputers entwickelt, der mit Photonen (Lichtteilchen) rechnet.

Quantencomputer basieren auf der Manipulation von einzelnen Quantenobjekten wie etwa Photonen, Elektronen oder Atomen. Dabei helfen ihnen Quanteneffekte, nicht nur bestimmte Rechenaufgaben wesentlich schneller zu verarbeiten als klassische Computer, sondern sogar Aufgaben zu lösen, die selbst Supercomputer überfordern.

Die dafür benötigte Quantentechnologie hat sich in den letzten Jahren immens weiterentwickelt, doch es ist immer noch eine große Herausforderung, einen marktreifen Quantencomputer zu bauen. Eine spannende offene Frage ist dabei, welche Quantenobjekte sich für die Umsetzung am besten eignen, da bestimmte Quantenobjekte individuelle Vorteile besitzen.

Mit Licht(geschwindigkeit) rechnen
Photonen, eine bestimmte Art von Bosonen, bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit über weite Strecken, ohne dabei ihre Information zu verlieren. Diesen einzigartigen Vorteil der Photonen nutzten Wissenschaftler von der Universität Wien in Zusammenarbeit mit Forschern der Friedrich-Schiller-Universität im deutschen Jena aus, um den Prototyp eines sogenannten Bosonen Sampling Computers zu bauen.

Hierbei werden Photonen in ein kompliziertes optisches Netzwerk (Bild) geschickt, in dem es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, zu einem bestimmten Ausgang zu gelangen. Es handelt sich dabei um einen gläsernen Chip aus Silica, in den fünf sich kreuzende Lichtbahnen mit ebenso vielen Ein- und Ausgängen gefräst wurden. Die Lichtteilchen, die in dieses optische Labyrinth geschickt werden, folgen den quantenmechanischen Gesetzen, d.h. sie können mehrere Wege gleichzeitig gehen (man spricht dann von Superposition), sich abschwächen oder verstärken.

"Das Rechenergebnis dieses Quantencomputers lässt sich erstaunlich einfach auslesen: Man misst, wie viele Photonen das optische Netzwerk durch welchen Ausgang verlassen", erläutert Philip Walther von der Fakultät für Physik der Uni Wien

"Ob du recht hast oder nicht, sagt dir das Licht"
Dieses Verhalten der Photonen zu berechnen, sei ein extrem schwieriges mathematisches Problem, so Walther. Bei einem Chip mit fünf Bahnen, wie derzeit verwendet, schaffe es ein klassischer Computer durchaus noch, die Bewegung der Photonen durch das optische Netzwerk vorherzusagen. "Bereits bei 400 einander kreuzenden Bahnen und 20 Photonen wäre ein solche Experiment aber so kompliziert, dass kein Supercomputer heute in der Lage wäre, das zu simulieren", sagt Walther.

Der von den Wissenschaftlern gebaute Chip mit den fünf Bahnen erlaubt allerdings, sehr einfach die mit klassischen Computern durchgeführte Simulation zu überprüfen: Denn ob der herkömmliche Rechner recht hat oder nicht, sagt den Physikern das Licht: "Wir messen einfach nach, wo die Photonen rauskommen und wie sie sich verteilen - die Natur liefert uns das Ergebnis gratis", betont der Physiker.

Prototyp arbeitet mit hoher Präszision
Die Forscher treten nun mit ihrem Prototyp, der auf theoretischen Überlegungen von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology in den USA basiert, diesen Beweis an. "Es ist äußerst wichtig sich zu vergewissern, ob ein solcher Quantencomputer erwartungsgemäß funktioniert. Deswegen vergleichen wir das experimentelle Ergebnis mit den Vorhersagen der Quantenphysik. Ironischerweise kann man diese Vorhersagen nur auf einem klassischen Computer berechnen und für kleinere Systeme ist dies zum Glück noch möglich", betont Max Tillmann, Erstautor der Studie, die im Fachjournal "Nature Photonics" veröffentlicht wurde.

Die Forscher konnten zeigen, dass der von ihnen realisierte Bosonen Sampling Computer mit hoher Präzision arbeitet. Die viel versprechenden Ergebnisse könnten wegweisend sein, um klassische Supercomputer in naher Zukunft zu übertrumpfen.

Das Bild zeigt das optische Netzwerk – den zentralen Teil des Bosonen Sampling Computers – und lässt erkennen, wie die Photonen gemäß den Gesetzen der Quantenphysik verschiedene Wege gleichzeitig zu nehmen scheinen.