Mit Licht rechnen
Optischer Quanten-Computer-Chip berechnet Wellenleiter-Netzwerk mit „Bosonen-Sampling“.
Rund 700 Millionen Transistoren stecken heute in jedem gängigen Computer-Prozessor. Doch die Miniaturisierung in der IT-Branche hat ihre Grenzen längst erreicht. Um die Rechenleistung künftig noch weiter zu verbessern, brauche es daher völlig neue Konzepte.
Abb.: Im zentralen Teil des „Bosonen-Sampling-Computers“, dem optischen Netzwerk, scheinen die Photonen gemäß den Gesetzen der Quantenphysik verschiedene Wege gleichzeitig zu nehmen. (Bild: P. Walther-Gruppe, U. Wien)
Ein Konzept, in das nicht nur der Physiker Szameit und seine Kollegen große Hoffnungen setzen, sind Quanten-Computer. Doch deren Entwicklung steckt noch in den Kinderschuhen: Erste einfache Prototypen sind raumfüllende Ungetüme. Gemeinsam mit Fachkollegen aus Wien haben Alexander Szameit, Juniorprofessor für Diamant-/ Kohlenstoffbasierte optische Systeme an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und sein Mitarbeiter René Heilmann jetzt jedoch einen optischen Schaltkreis entwickelt, der auf einem handtellergroßen Glas-Chip Platz findet. Er ermöglicht es, mittels verschränkter Photonen Informationen zu verarbeiten.
Bei diesem „Bosonen-Sampling“ genannten Verfahren werden verschränkte Photonen durch ein System von Wellenleitern geschickt, die in den Glas-Chip graviert sind, und anschließend detektiert. „Diese Photonen gehen aus ein und demselben Ursprungsphoton hervor und unterscheiden sich zum Beispiel nur in ihrer Polarisationsrichtung“, so Heilmann. Ändert sich die Polarisation des einen Photons, wird damit zugleich die Polarisation des anderen festgelegt.
Während konventionelle Transistoren lediglich mit zwei Zuständen der Informationsträger arbeiten, können diese in Quanten-Computern nach dem quantenmechanischen Superpositions-Prinzip viele unterschiedliche Zustände gleichzeitig einnehmen. Dadurch erhöht sich die Rechenleistung und damit die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung um ein Vielfaches. „Das, wozu ein üblicher Computer mehrere Millionen Transistoren benötigt, kann ein Quanten-Computer mit vielleicht 10 Photonen schaffen“, verdeutlicht Szameit.
Im vorliegenden Fall schickten die Forscher verschränkte Photonen durch optische Schaltkreise und berechneten aus der statistischen Verteilung der Lichtteilchen dessen innere Struktur. Philip Walther von der Fakultät für Physik der Universität Wien erklärt: „Das Rechenergebnis dieses Quantencomputers lässt sich erstaunlich einfach auslesen: Man misst, wie viele Photonen das optische Netzwerk durch welchen Ausgang verlassen.“
Klassische Computer müssten für diese Berechnung eine exakte Beschreibung des optischen Netzwerks kennen. Sogar ein Supercomputer wäre bereits damit überfordert, die Bewegung von ein paar Dutzend Photonen durch ein optisches Netzwerk mit nur einigen hundert Ein- und Ausgängen zu berechnen. Für einen „Bosonen-Sampling-Computer“ ist dies hingegen kein Problem. Damit haben die Physiker aus Jena und Wien den Beweis geliefert, dass es möglich ist, mit Licht zu rechnen – auch wenn der Weg zum ersten optischen Quanten-Computer noch weit sein dürfte.
U. Wien / U. Jena / PH
