Verschlungene Wege durch die Quantenwelt

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner. Daher soll er in nicht allzu ferner Zukunft Probleme lösen können, die für klassische Super­computer praktisch unlösbar sind. Physiker sprechen auch von einer „quantum computational supremacy“. Doch noch steht der Nachweis für diese Überlegenheit des Quanten­computers aus: Effekte aus der Quanten­mechanik für Kalkulationen zu nutzen, gestaltet sich schwierig; die bisherigen Prototypen konnten daher lediglich sehr einfache Probleme lösen.

Forscher der Universität Würzburg und der chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei und Shanghai haben nun eine spezielle Variante eines Quanten­rechners gebaut, die auf eine einzige Aufgabe spezialisiert ist. „Es handelt sich also nicht um einen wirklichen universellen Quanten­computer, sondern gewissermaßen um einen kleineren Bruder, der nur ein spezielles Problem lösen kann“, erklärt Sven Höfling vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg.

Ein zentraler Bestandteil dieses Rechners wurde von Höfling und seinen Kollegen Christian Schneider und Martin Kamp über Jahre hinweg entwickelt und verbessert – eine Einzel­photonen­quelle. Die Würzburger Lichtquelle hat eine wichtige Eigenschaft: Die emittierten Licht­teilchen ähneln einander wie ein Ei dem anderen – sie haben exakt die gleiche Farbe und breiten sich in die gleiche Richtung aus. „Einzelne Photonen wie diese sind eine Grund­voraussetzung für viele quanten­optische Experimente“, betont Höfling. „Wir haben unsere Methoden in jahrelanger Arbeit so optimiert, dass wir derartige Licht­teilchen inzwischen sehr effizient und zuverlässig erzeugen können.“ Wenn die Wissenschaftler 100 Mal den Knopf drücken, spuckt ihre Licht­quelle bis zu 74 Mal ein einzelnes Photon aus. Nur ein einziges Mal entstehen irrtümlich zwei Photonen gleichzeitig.

Die Partner aus Hefei und Shanghai schickten die Photonen nun auf eine Art optischen Orientierungs­lauf: Sie ließen die Licht­teilchen durch ein Material wandern, in dem diese in regelmäßigen Abständen auf eine Weg­gabelung trafen. Sie mussten sich dann stets für den linken oder rechten Pfad entscheiden, legte also einen „random quantum walk“ hin. Das Ergebnis dieses Quanten­spaziergangs lässt sich jedoch wegen der Quanten­interferenz ununterscheidbarer Teilchen nur schwer vorhersagen – besonders, wenn sich mehrere Teilchen gleichzeitig auf den Weg machen. „Schon ab etwa zwanzig Photonen stoßen klassische Computer an ihre Grenzen“, erklärt Höfling. „Unsere Partner aus China nutzen daher die einzelnen Photonen in Verbindung mit einem photonischen Schaltkreis für eine Quanten­simulation, die das Problem nachbildet.“

In den jetzt publizierten Veröffentlichungen schickten sie bis zu fünf Photonen gleichzeitig auf die Reise. Für die Ermittlung der Verteilung benötigten sie mit ihrem Ansatz in etwa so viel Zeit, wie auch die aller­ersten elektronischen Computer gebraucht hätten. „Wir sind aber optimistisch, dass wir mit unserer Methode prinzipiell auch Simulationen mit zwanzig oder mehr Photonen durchführen können“, hofft Sven Höfling. „Damit kämen wir in einen Bereich, in dem sich erstmals eine echte Überlegenheit der Quanten­technologie über klassische Rechen­maschinen zeigen könnte, und daran arbeiten wir.“

U. Würzburg / DE