Der Aufbau eines photonischen Quantencomputers

Bild: QuiX Quantum/Daniel Verkijk

Rechnen mit Lichtteilchen Photonische Quantencomputer in der Entwicklung

28.09.2022

Lichtteilchen zu Rechenbausteinen machen: Das gilt als eine vielversprechende Möglichkeit, um einen Quantencomputer zu bauen. Allerdings sind Quantenprozessoren, die auf Photonen basieren, im Vergleich zu anderen Plattformen noch weniger weit fortgeschritten. Um die Forschung voranzutreiben und das Potenzial von photonischen Systemen zu entwickeln, hat das DLR jetzt einen Auftrag über 14 Millionen Euro vergeben: Das Start-up QuiX Quantum realisiert innerhalb von vier Jahren prototypische photonische Quantencomputer.

Qubits auf Basis von Photonen haben den Vorteil, dass sie über schon erprobte optische Methoden manipuliert werden können. Außerdem gelten die Qubits – also die Rechenbausteine – als gut skalierbar. Das heißt, ihre Anzahl und damit die Rechenleistung können signifikant erhöht werden. Die Lichtteilchen für die photonischen Plattformen stammen zum Beispiel aus einem Laser. Photonen sind vergleichsweise schwer zu fassen und wechselwirken nicht direkt miteinander – darin besteht auch die größte Herausforderung bei den photonischen Systemen. Denn ohne die Wechselwirkung beziehungsweise Verschränkung können Quantencomputer nicht arbeiten.

Das erfordert neue, innovative Konzepte für die Realisierung von Quantengattern. Der photonische Quantencomputer in diesem Projekt funktioniert auf eine andere Weise als die meisten Quantencomputer, beispielsweise auf der Basis von Ionen oder NV-Zentren: Anstatt Quantengatter im Sinne eines Schaltkreises hintereinander auszuführen, wird die Rechnung in einer Reihe von Messungen implementiert. Das Verfahren heißt Measurement-based Quantencomputing.

Quantenprozessor mit 64 Qubits

Nach drei Jahren soll ein Quantenprozessor mit acht Qubits bereitstehen, das Ziel zum Projektende ist ein System mit mindestens 64 Qubits. Der photonische Quantencomputer von QuiX Quantum verarbeitet Informationen in einem verschränkten Quantenzustand, der aus vielen Photonen gebildet wird. „Die Verschränkung der Photonen geschieht in den Wellenleitern unserer Prozessoren. Die Wellenleiter führen das Licht durch den Prozessor analog zu den elektrischen Leiterbahnen in einem konventionellen Prozessor. Mit aktiven Ansteuerungselementen können wir Photonen wechselwirken (interferieren) lassen oder gezielt deren Phase verändern. Mit Hilfe von Einzelphotonendetektoren können an dem erzeugten Quantenzustand adaptive Messungen vorgenommen werden.

Auf diese Weise werden Qubits kodiert, verarbeitet und gemessen“, erklärt Dr. Stefan Hengesbach von QuiX Quantum. Das Unternehmen bindet als Lieferant unter anderem auch das Start-up Pixel Photonics aus Münster ein. QuiX Quantum hat bereits einen photonischen Prozessor in Form eines reprogrammierbaren Interferometers entwickelt. QuiX Quantum stellt dem DLR im Rahmen des Auftrags Mitte kommenden Jahres einen Prototypen dieses Prozessors mit zwölf Eingangskanälen zur Verfügung. Damit können erste Erfahrungen für die Nutzung eines photonischen Quantencomputers gesammelt werden.

DLR-Institute und QuiX Quantum entwickeln gemeinsam Anwendungen

In den kommenden Wochen werden Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter von QuiX Quantum in das DLR-Innovationszentrum in Ulm einziehen. Dort und im Innovationszentrum in Hamburg arbeiten die Unternehmen in unmittelbarer Nähe zu den DLR-Instituten. „Mit QuiX Quantum binden wir eine weitere Firma durch Beauftragung in unsere Quantencomputing-Initiative ein und entwickeln das Technologiefeld, hier speziell für das photonische Quantencomputing. In unserem Innovationszentrum in Ulm wird dadurch ein weiterer Player des Quantencomputing-Ökosystems mit uns diese Technologie vorantreiben“, sagt Dr. Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative.

Mit der hier geplanten photonischen Plattform werden universelle Rechenoperationen möglich sein. Dieser prototypische Quantencomputer ist somit nicht auf die Lösung bestimmter Fragestellungen festgelegt. Die DLR-Institute werden in Zusammenarbeit mit dem Start-up Anwendungen auf diesem System entwickeln.

Das DLR wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen in einem wettbewerblichen Verfahren. Das DLR bringt dabei die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein.

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