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Eine Quanteninformationsverarbeitung im größeren Maßstab – von der Theorie zur Realität

Das VLS-QPP-Projekt hat an einer neuen Generation von Quantenphotonikprozessoren und an den Algorithmen zur vollständigen Ausschöpfung von deren Kapazitäten gearbeitet. Die potenziellen Anwendungsbereiche reichen von der Medizinwissenschaft bis zur Datensicherheit.

Grundlagenforschung

„Dies sind spannende Zeiten für die Quantenphotonik.“ Seit nunmehr drei Jahren beobachtet Peter Lodahl, Leiter der Quantenphotonikgruppe an der Universität Kopenhagen, die stete Materialisierung von Quanten-Hardwarebausteinen, und er blickt offenbar optimistisch in die Zukunft. Mit jedem neuen Baustein kommt die Welt der ersten Generation von Geräten für die Bereiche Quanteninformatik, Kommunikation und Präzisionssensorik näher. Lodahl ist genau genommen weit mehr als ein Beobachter gewesen. Er beaufsichtigt auch eine Gruppe von etwa 30 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die an der Quantenphotoniktechnologie arbeiten. „Unsere Gruppe hat sich auf die Entwicklung deterministischer und kohärenter Einzelphotonenquellen und Photonenemitterschnittstellen mit hinreichend hoher Qualität für die Maßstabsvergrößerung spezialisiert“, erklärt er. „Wir nutzen jetzt dieses Know-how und die Technologie, indem wir photonische Ressourcen in der fortschrittlichen Quanteninformationsverarbeitung anwenden. Wir nähern uns photonischen Quantensimulationen und einem quantenphotonischen neuronalen Netz an, die eine hybride Schnittstellenverbindung zwischen unserer Technologie und handelsüblichen fortschrittlichen photonischen Schaltkreisen erfordern. Dies ist eine wesentliche Entwicklung, die derzeit im Gange ist.“ Eines der wichtigsten Projekte, das von Lodahl veranstaltet wird, ist ein Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium namens VLS-QPP. Das Projekt zielt auf die Entwicklung der Quantenoptiktechnologie der nächsten Generation ab. Dies geschieht durch die symbiotische Entwicklung von Hardware und Algorithmen sowie durch die Verwendung der Siliziumphotonikplattform.

Bahnbrechende Quantenphotonikprozessoren

Ein Stipendiat des Marie-Skłodowska-Curie-Global-Programms Jacques Carolan, der das Programm leitet, sagt, dass VLS-QPP darauf abzielt, die bestehende ,klassische‘ Hardware um die fehlenden ,Quanten‘-Bauteile zu ergänzen: „Während handelsübliche Technologien wie die Siliziumphotonik eine unübertroffene Bereichsabdeckung und Komplexität bieten, mangelt es ihnen an wichtiger Quantenfunktionalität.“ VLS-QPP entwickelt die nächste Generation von Quantenphotonikprozessoren im sehr großen Maßstab, indem die bestehende klassische Optiktechnologie mit neuen Quantenbauteilen erweitert wird. „Die wesentlichen Wegbereiter des Projekts sind Einzelphotonenquellen und kohärente Photonenemitterschnittstellen. Letztgenannte haben es uns ermöglicht, nichtlineare Riesenphotonenoperationen mit einer Empfindlichkeit auf der Einzelphotonenebene zu demonstrieren. Dies ist eine wegweisende und bisher fehlende Komponente für photonische Quantengatter. Sie ermöglicht die Quanteninformatik und Quantenkommunikation“, erklärt Lodahl. Die wichtigste Innovation von VLS-QPP liegt in der Verwendung der Planartechnik zur Kopplung von Photonen mit nanophotonischen Schaltkreisen. Im Gegensatz zu den meisten Ansätzen, die vertikale Strukturen nutzen, bei denen Photonen chipextern gekoppelt werden, ist die Planartechnik skalierbar, um fortschrittliche photonische Schaltkreise zu schaffen, die eine direkte Integration von Funktionalitäten auf den Chip ermöglichen. „Unsere Technologie wird in dem Spin-off-Unternehmen Sparrow Quantum, das von meiner Gruppe gegründet wurde, kommerzialisiert“, sagt Lodahl.

Von der Theorie zur Realität

Entscheidend für den Erfolg von VLS-QPP ist das enge Zusammenspiel zwischen Theorie und Experiment. „Die von uns entwickelte Hardware ist nur so gut wie die Algorithmen und Protokolle, die wir darauf ausführen müssen“, fügt Carolan hinzu. „Wir haben daher neue Methoden für die Kontrolle solcher Quantenphotoniksysteme im großen Maßstab und eine komplett neue Anwendungs-Suite in dem aufstrebenden Gebiet des quantenmaschinellen Lernens entwickelt.“ Alles in allem ist der wesentliche Beitrag von VLS-QPP im Bereich der Quantenphotonik die Entwicklung von Quantenprozessoren in einem nie dagewesenen Maßstab. Das Projekt, das Ende September 2020 abgeschlossen wird, hat zudem den Grundstein für eine skalierbare photonische Quanteninformatik gelegt und in einer Reihe von Publikationen resultiert. Der neuartige Quantenprozessor wird sich voraussichtlich erheblich auf die Gebiete der Informatik und des maschinellen Lernens auswirken, da eine skalierbare und robuste Hardware-Plattform ermöglicht wird, mit der in absehbarer Zeit eine völlig neue Familie von Quantenalgorithmen implementiert werden kann. Potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für die Projektergebnisse finden sich in drei zentralen Sektoren: der Medizinwissenschaft zur Untersuchung von biochemischen Prozessen im Bereich der Arzneimittelentdeckung; der Datensicherheit durch die Entwicklung und Implementierung neuer und sicherer Quantenschlüsselverteilungs- sowie Quanten-Repeater-Architekturen; und dem quantenmaschinellen Lernen durch die direkte Beeinflussung optischer Signale. Alles in allem ist Lodahl zuversichtlich, dass diese Fortschritte neue Marktmöglichkeiten in der Quantenindustrie und darüber hinaus schaffen werden.

Schlüsselbegriffe

VLS-QPP, Quantenphotonik, Prozessor, Photon, neuronales Netzwerk, Algorithmen

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