In Paderborn startet Deutschlands erster photonischer Quantenrechner
Der erste photonische Quantencomputer Deutschlands wurde in Paderborn entwickelt und bringt die Quantenforschung in Europa einen großen Schritt voran.
Blick auf den Versuchsaufbau, wo das gequetschte Licht erzeugt wird. Das Foto zeigt nur einige der optischen Elemente, die für den Aufbau des gesamten Systems erforderlich sind.
Foto: Universität Paderborn, Martin Ratz
Quantencomputing wird die Art und Weise, wie wir komplexe Probleme lösen, grundlegend verändern. Insbesondere photonische Quantencomputer bieten das Potenzial, herkömmliche Supercomputer bei Weitem zu übertreffen. Der erste seiner Art in Deutschland wurde an der Universität Paderborn gebaut. Unter dem Namen „PaQS“ (Paderborn Quantum Sampler) soll das System nun den Weg für zukünftige bahnbrechende Anwendungen in verschiedenen Forschungsfeldern ebnen.
Stabile Quantencomputer sind nach wie vor eine Herausforderung
Quantencomputer, die auf den kleinsten Energieteilchen, den sogenannten Quanten, basieren, gelten als Schlüsseltechnologie der Zukunft. Sie eröffnen neue Möglichkeiten in der Energiewende, der Medikamentenentwicklung und in der Kommunikation. Trotz intensiver Forschung ist es bislang eine Herausforderung, stabile und robuste Quantencomputer zu bauen. Diese Systeme sind äußerst sensibel gegenüber äußeren Störungen und Systemunvollkommenheiten.
Umso erfreulicher, dass die Universität Paderborn dies nun mit dem Projekt „PaQS“ geschafft. In Kooperation mit Industriepartnern und gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) entstand das bisher größte photonische Quantencomputersystem Europas.
„Quantencomputer sind äußerst empfindlich gegenüber Systemunvollkommenheiten. Deshalb arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit an verschiedenen experimentellen Plattformen“, so Prof. Dr. Christine Silberhorn, Sprecherin des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) an der Universität Paderborn.
Europas größter photonischer Quantencomputer
Im Rahmen der Förderinitiative PhoQuant wurde „PaQS“ als sogenannter Gauss-Boson-Sampler aufgebaut. Diese Plattform für photonische Quantencomputer ermöglicht eine vollständige Programmierbarkeit und Flexibilität. Die verwendete Technologie basiert auf Lichtteilchen, den Photonen, die durch spezielle Glasfasernetzwerke geleitet werden. An den Endpunkten der Netzwerke wird dann gemessen, wo die Photonen wieder austreten.
Diese Methode könnte revolutionäre Ansätze zur Lösung komplexer Probleme in der Proteinfaltung oder der Molekularforschung liefern. Prof. Dr. Silberhorn erklärt erläutert: „Das Gaußsche-Boson-Sampling ist ein Modell des photonischen Quantencomputers, das als Plattform für den Bau von Quantengeräten Aufmerksamkeit erlangt hat.“
„Gequetschte Lichtzustände“ sorgen für hohe Rechenleistung
Die Grundlage der hohen Rechenleistung des PaQS-Systems liegt in der Nutzung sogenannter „gequetschter Lichtzustände“. Diese quantenmechanische Eigenschaft des Lichts ermöglicht es, hochpräzise und gleichzeitig flexible Berechnungen durchzuführen. Die Paderborner Forschergruppe, die bereits langjährige Erfahrung in der Entwicklung solcher photonischen Zustände hat, konnte dieses Wissen nutzen, um den neuen Quantencomputer zu realisieren.
„Bei dem Gaußschen-Boson-Sampling ist diese Ressource als ,Squeezing‘ oder ,gequetschtes Licht‘ bekannt“, erläutert Prof. Dr. Silberhorn. Durch die Nutzung dieser Technologie sei es möglich, die PaQS-Maschine mit einem äußerst effizienten Lichtantrieb auszustatten.
Vorteile photonischer Quantencomputer
Photonische Quantencomputer haben einige Vorteile gegenüber anderen Ansätzen des Quantencomputings. Sie arbeiten mit Licht und können daher bei Raumtemperatur betrieben werden. Zudem bieten sie hohe Taktraten und eine klare Perspektive in Richtung Skalierbarkeit.
Dies bedeutet, dass die Systeme vergleichsweise einfach erweitert werden können, um komplexere Aufgaben zu bewältigen. Doch auch photonische Quantencomputer haben mit Herausforderungen zu kämpfen, insbesondere bei der Minimierung von optischen Verlusten.
Internationaler Wettbewerb und Zukunftsaussichten
Der internationale Wettbewerb im Bereich des Quantencomputings ist hart. Aktuell befinden sich die größten photonischen Quantencomputer in Ländern wie China, Singapur oder Kanada. Mit dem PaQS-Projekt positioniert sich Deutschland nun an der Spitze Europas im Bereich des photonischen Quantencomputings.
Die Paderborner Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten zudem an einer Erweiterung des Systems, um noch komplexere Berechnungen durchführen zu können. „Diesem Problem stellen wir uns, indem wir auf die weltführende Expertise Deutschlands in der integrierten Photonik zurückgreifen“, sagt Prof. Dr. Silberhorn.
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