Messbasiertes Quanten-Computing Projekt PhotonQ: Prozessor für einen photonischen Quantencomputer

Sieben Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie Industriepartner wollen einen Prozessor für einen photonischen Quantencomputer entwickeln. Er soll eine schnelle Skalierung auf praxisrelevante Qubit-Zahlen ermöglichen. Der Bund fördert das BMBF-Projekt PhotonQ mit rund 16 Millionen Euro.

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Quantencomputer sollen einmal in hohem Tempo Problemstellungen lösen, die für klassische Computersysteme nicht bearbeitbar sind. Bis die Rechner jedoch praxistauglich werden, müssen sie eine deutlich höhere Anzahl an sogenannter Qubits (eigentlich Quantenbits), einem Zweizustands-Quantensystem, verarbeiten und niedrigere Fehlerraten aufweisen. Ein Forschungsverbund unter Federführung von Prof. Dr. Stefanie Barz von der Universität Stuttgart entwickelt hierfür nun einen photonischen Quantenprozessor, der die Realisierung von Quantenalgorithmen mit wenigen Qubits erlaubt und perspektivisch eine schnelle Skalierung auf praxisrelevante Qubit-Zahlen ermöglichen soll.

Um neue, skalierbare Quantenprozessoren zu erforschen, gibt es die verschiedensten Ansätze: Atom- und Ionenfallen, Supraleiter, Halbleiter oder verschränkte Photonen. Im Projekt PhotonQ, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 16 Millionen Euro gefördert wird, möchten die Universitäten Stuttgart, Würzburg, Mainz und Ulm, die Technische Universität München, das Institut für Mikroelektronik Stuttgart und die Vanguard Automation GmbH einen Prozessor für einen photonischen Quantencomputer entwickeln. Das Herz des Quantenprozessors ist ein integrierter photonischer Chip.

Ansatz des messbasierten Quanten-Computings

Startpunkt für einen messbasierten Quantenprozessor ist ein Quantenzustand, in dem mehrere Qubits bereits miteinander „verschränkt“ sind, das heißt die Photonen sind stärker miteinander korreliert, als es in einem klassischen Zustand möglich ist. Um universelle Quantenrechnungen durchzuführen, werden an das jeweilige Rechenproblem angepasste Messungen an einem solchen großen verschränkten Zustand durchgeführt. „Die Herausforderung dabei liegt darin, diesen Zustand in einem photonischen System mit hoher Effizienz und Qualität herzustellen und zu verarbeiten“, erklärt Projektkoordinatorin Stefanie Barz vom Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien der Universität Stuttgart sagt .

Eine zentrale Rolle spiele dabei die Entwicklung integrierter optischer Bausteine und Schaltkreise. Hierbei seien vor allem optische Verluste im System so gering wie möglich zu halten. Gleichzeitig müsse es eine hohe Effizienz in der Erzeugung und der Detektion der Photonen geben. „Dies erfordert die Entwicklung neuer oder wesentlich verbesserter Komponenten in allen Teilsystemen“, sagt Barz. Entsprechend sollen im Projekt PhotonQ deterministische Photonenquellen, skalierbare Silizium-Photonik-Schaltkreise, bessere Verbindungstechnik und neuartige Einzelphotonendetektoren realisiert werden.

Theoretisches Teilprojekt zur Optimierung des Quantenprozessors

Der rein photonische Ansatz zum Quanten-Computing bietet nach Angaben der Forscher einige attraktive Elemente im Hinblick auf die experimentelle Realisierung, die in anderen Plattformen nicht gegeben sind. Insbesondere könnten photonische Qubits bei Raumtemperatur mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden.

Schwierig sei allerdings, zwei Photonen im Sinne eines Zwei-Qubit-Gatters miteinander zu koppeln, was im Normalfall eine hohe Nichtlinearität erfordert. „Solche Gatter werden zwar im Prinzip auch benötigt, um den verschränkten Ausgangszustand beim messbasierten Quanten-Computing zu erzeugen“, erklärt Prof. Dr. Peter van Loock vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Da dieser Zustand aber vor der Berechnung des eigentlichen Quanten-Algorithmus, also quasi offline, präpariert werde und dabei noch keine Quanten-Information trage, müssten die Gatter nicht immer funktionieren. „Verschränkungsgatter, die nur manchmal funktionieren, sind aber möglich mit einfacher linearer Optik, das heißt Strahlteilern und Phasenschiebern.“

Quantenverschränkung: Lineare Gatter optimieren

Im JGU-Theorieprojekt in der Gruppe von Peter van Loock geht es darum, solche linearen Gatter für die experimentellen photonischen Quantenprozessoren zu optimieren. Neben neuen Methoden zur effizienten Realisierung der Gatter werden dabei auch Codes zur Quantenfehlerkorrektur untersucht. Mithilfe geeigneter Kodierungen sollen sowohl die Effizienz als auch die Verlust- und Fehler-Toleranz der photonischen Prozessoren erhöht werden.

Das Gesamtsystem des Quantenprozessors wird an der Universität Stuttgart aufgebaut. Es soll Quanten-Computing mit acht Qubits demonstrieren und die grundsätzliche Eignung des messbasierten, photonischen Funktionsprinzips nachweisen. Über die Projektlaufzeit von vier Jahren von 2022 bis 2025 werden vier Prozessor-Generationen entwickelt, die in ihrer Komplexität immer weiter zunehmen. Die Partner entwickeln spezielle Hardware-Bausteine oder Konzepte zur Optimierung und Charakterisierung des Prozessors auf Theorie- beziehungsweise Softwareseite.

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