Blick auf den Versuchsaufbau, der das gequetschte Licht erzeugt. Das Foto zeigt nur einige der optischen Elemente des gesamten Systems. (Bild: Universität Paderborn/Martin Ratz)
Auch wenn Quantencomputer seit einigen Jahren Gegenstand intensiver Forschung sind, ist es bisher nicht gelungen, ausreichend robuste Systeme herzustellen. An der Universität Paderborn haben es Wissenschaftler jetzt geschafft, Europas größten Sampling-basierenden Quantencomputer zu bauen. PaQS (Paderborn Quantum Sampler) ist im Rahmen der PhoQuant-Förderinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) von Forschenden der Universität Paderborn gemeinsam mit den Partnern Menlo Systems, Fraunhofer IOF Jena und Swabian Instruments aufgebaut worden. Das deutsche Quantentechnologieunternehmen Q.ANT koordiniert das Projekt. In Kürze wird ein zweite Sampling-basierender Quantencomputer mit Cloud Access am Standort des IOF in Jena in Betrieb gehen. Das mit rund 50 Millionen Euro geförderte Projekt vereint die Expertise von 13 Partnern aus Wissenschaft und Industrie.
Europas größte Gaußschen-Boson-Sampling-Maschine
Jeder technologische Ansatz im Quantencomputing hat Vor- und Nachteile. Zum Beispiel lassen sich photonische, also lichtbasierende Netzwerke bei Raumtemperatur betreiben und in miniaturisierte, programmierbare Schaltungen implementieren, haben aber mit optischen Verlusten zu kämpfen. Für dieses Problem haben die Wissenschaftler einen sogenannten ‚Gaußschen Boson Sampler‘ realisiert, der aus skalierbaren Bauelementen besteht. Dafür mussten viele Komponenten erst neu entwickelt werden.
Diese Maschine misst – vereinfacht ausgedrückt – aus welchen Ausgängen eines photonischen Netzwerkes die Photonen kommen. Dabei kommt ein voll programmierbares und integriertes Interferometer zum Einsatz, mit dem sich jede gewünschte Konfiguration umsetzen lässt. Bei diesem Ansatz 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 zum Beispiel für die Lösung von Proteinfaltungsproblemen oder die Berechnung molekularer Zustände im Rahmen der Medikamentenforschung sein. Die vollständige Programmierbarkeit bedeute außerdem, dass selbst solche Anwendungen implementierbar sind, die sich aus zukünftigen Untersuchungen ergeben. Aktuell wird das System erweitert, um komplexere Berechnungen zu ermöglichen.
Gequetschte Zustände treiben Quantum Sampler an
Quantenmechanische Phänomene wie das sogenannte Quetschen und die Überlagerung oder Verschränkung von Photonen sorgen für die unglaublich hohe Rechenleistung von Quantencomputern. Am Anfang steht dabei immer die Erzeugung einer bestimmten Quantenressource. Beim Gaußschen-Bosonen-Sampling ist diese Ressource als Squeezing oder gequetschtes Licht bekannt, dessen quantenmechanische Eigenschaften manipuliert und damit nutzbar gemacht wurden. Es gelang eine Lichtquelle zu produzieren, die die PaQS-Maschine antreibt.