Quantenphotonik klassisch berechnet

Wissenschaftler der Universität Paderborn haben zum ersten Mal Hochleistungsrechnen (HPC, High Performance Computing) zur Analyse eines Quantenphotonikexperiments im großen Maßstab eingesetzt. Konkret ging es um die tomografische Rekonstruktion von experimentellen Daten eines Quantendetektors. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das einzelne Photonen, also Lichtteilchen, misst. Dazu haben die Forscher unter anderem neue HPC-Software entwickelt. 

Hochskalierte Photonendetektoren kommen in der Quantenforschung immer häufiger zum Einsatz. Diese Geräte exakt zu charakterisieren, ist von zentraler Bedeutung, um sie effektiv für Messungen nutzen zu können – und bislang eine Herausforderung. Denn damit gehen große Datenmengen einher, die analysiert werden müssen, ohne deren quantenmechanische Struktur zu vernachlässigen. Geeignete Werkzeuge zur Verarbeitung dieser Datensätze sind insbesondere für künftige Anwendungen wichtig. Während klassische Ansätze keine vergleichbaren Berechnungen von Quantensystemen jenseits einer bestimmten Skala zulassen, haben sich die Paderborner Wissenschaftler Hochleistungsrechnen für die Charakterisierungs- und Zertifizierungsaufgaben zunutze gemacht. 

„Durch die Entwicklung von maßgeschneiderten Open-Source-Algorithmen unter Verwendung von High Performance Computing haben wir eine Quantentomographie an einem photonischen Quantendetektor im Megamaßstab durchgeführt“, erklärt der Physiker Timon Schapeler, der das Paper zusammen mit dem Informatiker Robert Schade sowie Kollegen vom PhoQS (Institut für Photonische Quantensysteme) und dem PC2 (Paderborn Center for Parallel Computing) geschrieben hat. Das PC2, eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung der Universität Paderborn, betreibt die HPC-Systeme. Die Hochschule gehört zu den Nationalen Hochleistungsrechenzentren in Deutschland und damit zur Spitze des universitären High Performance Computings.

„Die Ergebnisse eröffnen dem Bereich der skalierbaren Quantenphotonik ganz neue Möglichkeiten, was die Größe der zu analysierenden Systeme angeht. Das hat zum Beispiel auch Auswirkungen auf die Charakterisierung von photonischer Quantencomputer-Hardware“, so Schapeler weiter. Ihre Berechnungen zur Beschreibung eines Photonendetektors haben die Wissenschaftler innerhalb weniger Minuten durchgeführt – schneller als alle anderen zuvor. 

Auch Berechnungen mit noch größeren Datenmengen hat das System innerhalb kürzester Zeit bewerkstelligt. Schapeler: „Das zeigt, in welch beispiellosem Ausmaß dieses Werkzeug auf quantenphotonische Systeme angewendet werden kann. Soweit wir wissen, ist unsere Arbeit der erste Beitrag auf dem Gebiet des klassischen Hochleistungsrechnens, das experimentelle Quantenphotonik in großem Maßstab ermöglicht. Dieser Bereich wird zunehmend an Bedeutung gewinnen, wenn es darum geht, den Quantenvorteil in quantenphotonischen Experimenten nachzuweisen. Und zwar in Größenordnungen, die mit herkömmlichen Mitteln nicht berechnet werden können.“

Schapeler ist Doktorand in der von Tim Bartley geleiteten Arbeitsgruppe „Mesoskopische Quantenoptik“. Darin erforscht das Team die fundamentale Physik der Quantenzustände des Lichts und deren Anwendungen. Diese Zustände bestehen aus mehreren 10, 100 oder 1000 Photonen. „Die Größenordnung ist entscheidend, da sie den grundlegenden Vorteil von Quanten- gegenüber klassischen Systemen verdeutlicht. Der Nutzen ist in vielen Bereichen sichtbar, darunter beispielsweise Messtechnik, Datenverarbeitung und Kommunikation“, erläutert Bartley. 

U. Paderborn / DE