Quantencomputer
Uni Paderborn startet mit ersten photonischen Quantencomputer in eine neue Ära
Photonik und Quanten: Deutschlands Fortschritt im Bereich photonischer Quantencomputer
Quantentechnologien gelten als eine der vielversprechendsten Zukunftstechnologien und bieten Lösungen für viele aktuelle Herausforderungen, sei es in der Energiewende, Medikamentenentwicklung oder sicheren Kommunikation. Vor allem Quantencomputer, die das Potenzial haben, weit leistungsfähiger als heutige Supercomputer zu sein, spielen eine zentrale Rolle in dieser Entwicklung. Während herkömmliche Computer auf klassischen Bits basieren, nutzen Quantencomputer die Eigenschaften von Quanten, um extrem komplexe Berechnungen durchzuführen. Obwohl Quantencomputer bereits seit einigen Jahren intensiv erforscht werden, gibt es noch viele technische Hürden, die überwunden werden müssen, um sie stabil und robust zu machen.
An der Universität Paderborn ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Ein Team von Wissenschaftlerinnen hat Europas größten photonischen Quantencomputer entwickelt. Dieses Projekt mit dem Namen „PaQS“ (Paderborn Quantum Sampler) wurde im Rahmen der PhoQuant-Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) realisiert. Gemeinsam mit den Partnern Menlo Systems, Fraunhofer IOF Jena und Swabian Instruments sowie unter Koordination des Unternehmens Q.ANT haben die Forscherinnen das Projekt erfolgreich umgesetzt. Mit einem Fördervolumen von rund 50 Millionen Euro vereint es die Expertise von 13 wissenschaftlichen und industriellen Partnern. Ziel ist es, Deutschland an die Spitze der internationalen photonischen Quantenforschung zu bringen.
Photonische Quantencomputer: Chancen und Herausforderungen
Photonische Quantencomputer basieren auf der Nutzung von Licht, genauer gesagt von Photonen, zur Durchführung von Berechnungen. Diese Technologie bietet gegenüber anderen Quantencomputer-Ansätzen einige Vorteile: Sie arbeitet bei Raumtemperatur und lässt sich in miniaturisierte, programmierbare Schaltungen integrieren. Dennoch gibt es auch Herausforderungen, vor allem in Bezug auf optische Verluste, die die Leistung beeinträchtigen können. An der Universität Paderborn hat das Team jedoch erfolgreich auf die weltweit führende Expertise Deutschlands im Bereich der integrierten Photonik zurückgegriffen, um diese Probleme anzugehen.
Eine der größten technologischen Herausforderungen bei der Entwicklung von Quantencomputern besteht in der Empfindlichkeit der Systeme. Selbst kleinste Unvollkommenheiten können die Berechnungen verfälschen. Aus diesem Grund gibt es unterschiedliche experimentelle Plattformen, die weltweit entwickelt und getestet werden. Die derzeit größten photonischen Quantencomputer befinden sich in China, Singapur, Frankreich und Kanada. Der Ansatz der Paderborner Forscher*innen zeichnet sich jedoch durch seine vollständige Programmierbarkeit und Skalierbarkeit aus, was ihn besonders zukunftsfähig macht.
Europas größte Gaußsche-Boson-Sampling-Maschine
Mit „PaQS“ haben die Forscher*innen Europas größte Gaußsche-Boson-Sampling-Maschine entwickelt. Das Gaußsche Boson Sampling ist ein Modell des photonischen Quantencomputers, das sich besonders zur Lösung bestimmter mathematischer und physikalischer Probleme eignet. Das Team in Paderborn hat das System so entwickelt, dass es vollständig programmierbar ist und sich an verschiedene Anwendungen anpassen lässt. Prof. Dr. Christine Silberhorn, Physikerin und Sprecherin des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) an der Universität Paderborn, betont, dass dies eine nie dagewesene Flexibilität und Anwendbarkeit ermöglicht. Insbesondere in der Medikamentenforschung, etwa bei der Berechnung von molekularen Zuständen oder der Lösung von Proteinfaltungsproblemen, könnten photonische Quantencomputer wertvolle Dienste leisten.
Der Bau des Quantencomputers erforderte die Entwicklung zahlreicher neuer Komponenten, was den hohen Grad an Komplexität des Projekts verdeutlicht. Silberhorn hebt hervor, dass die vollständige Programmierbarkeit des Systems nicht nur gegenwärtige Anwendungen ermöglicht, sondern auch solche, die erst in der Zukunft erforscht werden. Diese Flexibilität ist ein wesentlicher Schritt hin zu einer breiten Anwendung von Quantencomputern.
Ein zentrales Element bei der Funktionsweise von PaQS ist die Erzeugung von „gequetschten Zuständen“ – einer speziellen Form von Licht, die durch quantenmechanische Manipulation erzeugt wird. Diese gequetschten Zustände, auch bekannt als „Squeezing“, sind eine wesentliche Ressource für photonische Quantencomputer. Die Paderborner Forscher*innen haben auf ihre langjährige Expertise im Bereich der integrierten Quantenoptik zurückgegriffen, um diese Zustände zu erzeugen. Durch die Verwendung optimierter optischer Wellenleiter gelang es ihnen, eine Lichtquelle zu entwickeln, die PaQS antreibt.
Der Weg in die Zukunft: Skalierbarkeit und weitere Forschung
Obwohl photonische Quantencomputer wie PaQS vielversprechende Perspektiven bieten, steckt die Quantencomputertechnologie insgesamt noch in den Kinderschuhen. Es bedarf weiterer intensiver Forschung, um die Systeme weiter zu skalieren und für eine breite Anwendung nutzbar zu machen. Ein klarer Vorteil von photonischen Quantencomputern liegt in ihrer potenziell hohen Taktrate und der Möglichkeit zur Skalierbarkeit. Die Fortschritte der Paderborner Wissenschaftler*innen sind ein bedeutender Schritt in diese Richtung und bringen die internationale Forschung einen großen Schritt voran. Der Bau eines zweiten photonischen Quantencomputers mit Cloud-Zugang am Fraunhofer IOF in Jena steht ebenfalls kurz bevor. Dies wird die Kapazitäten und den Zugang zur Quantenforschung in Deutschland weiter verbessern und dazu beitragen, die Spitzenposition Deutschlands im Bereich der Quantentechnologien zu festigen.
