Dennis Lenz
An der Universität Paderborn ist einem Forscherteam ein wichtiger Schritt zum universellen Rechnen mit Licht gelungen. Die Physiker haben ein zentrales Quantengatter erstmals in einer vollständig rekonfigurierbaren Zeitmultiplex-Architektur realisiert, in der Qubits nicht über getrennte Lichtpfade, sondern in Zeitfenstern durch dieselbe Glasfaser laufen. Das System erreichte dabei eine Güte von rund 94 Prozent. Der Ansatz könnte ein hartnäckiges Skalierungsproblem lichtbasierter Quantenrechner überwinden.
Quantencomputer gelten als Schlüsseltechnologie für Aufgaben, an denen klassische Rechner scheitern, etwa die Simulation von Molekülen, die Optimierung komplexer Systeme oder die Analyse riesiger Datenmengen. Ihr Grundbaustein ist das Qubit, eine quantenmechanische Informationseinheit, die anders als ein klassisches Bit nicht nur die Zustände null und eins, sondern auch Überlagerungen beider Zustände annehmen kann. Weltweit konkurrieren derzeit mehrere physikalische Plattformen um die beste Umsetzung dieser Idee. Supraleitende Schaltkreise müssen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, gefangene Ionen erfordern aufwendige Vakuum- und Laseranlagen. Ein photonischer Quantencomputer verfolgt dagegen einen anderen Weg: Er kodiert Quanteninformationen in einzelnen Lichtteilchen, den Photonen, die bei Raumtemperatur arbeiten und sich über Glasfasern nahezu störungsfrei transportieren lassen. Zudem sind Photonen hervorragend von störenden Umgebungseinflüssen isoliert, was sie zu besonders robusten Trägern fragiler Quantenzustände macht.
Der große Vorteil der Photonen ist zugleich ihre größte Schwäche. Weil Lichtteilchen normalerweise nicht miteinander wechselwirken, ist es schwierig, mit ihnen logische Operationen auszuführen, die zwei Qubits gleichzeitig verknüpfen. Genau solche Zwei-Qubit-Operationen sind aber unverzichtbar, denn erst sie erzeugen die quantenmechanische Verschränkung, ohne die kein Quantenalgorithmus funktioniert. Das wichtigste dieser Quantengatter ist das sogenannte C-NOT-Gatter, das den Zustand eines Ziel-Qubits genau dann umkehrt, wenn sich das Kontroll-Qubit im Zustand eins befindet. In Kombination mit einfachen Ein-Qubit-Drehungen lässt sich damit im Prinzip jede beliebige Quantenschaltung aufbauen. Bisherige optische Umsetzungen benötigten jedoch komplexe Aufbauten mit vielen räumlich getrennten Lichtpfaden, Strahlteilern und Phasenschiebern, deren Zahl mit jedem zusätzlichen Qubit stark anwächst. Auch alternative photonische Ideen, etwa ein Quantencomputer auf Graphen-Basis, blieben bislang weitgehend Theorie.
Ein Team des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn um den Gruppenleiter Benjamin Brecht aus der von Christine Silberhorn geleiteten Arbeitsgruppe für integrierte Quantenoptik hat dieses Problem nun mit einem eleganten Trick umgangen. Statt die Quanteninformation räumlich über verschiedene Lichtpfade zu verteilen, kodieren die Physiker sie zeitlich. Bei diesem sogenannten Zeitmultiplex durchlaufen mehrere Qubits nacheinander ein und dasselbe optische Modul, indem sie in unterschiedlichen Zeitfenstern übertragen werden. Das Verfahren haben die Forscher jetzt in einer Studie in Nature Communications vorgestellt und damit erstmals ein vollständig rekonfigurierbares C-NOT-Gatter in reiner Zeitkodierung demonstriert. Der Aufbau kommt mit einer einzigen räumlichen Lichtmode aus und lässt sich für jede einzelne Operation neu programmieren, was ihn grundlegend von starren optischen Chips unterscheidet. Genau diese Flexibilität galt bislang als eine der größten Hürden lichtbasierter Rechnerarchitekturen.
Herzstück des Experiments sind zwei Glasfaserschleifen mit Längen von 1085 Metern und 1120 Metern, die als Verzögerungsstrecken dienen. Der Längenunterschied sorgt dafür, dass Lichtteilchen in der längeren Schleife exakt 170 Nanosekunden später am zentralen Schaltelement ankommen als in der kürzeren. Dieses Schaltelement ist ein schneller elektro-optischer Modulator auf Basis einer Pockels-Zelle, der die Polarisation der Photonen für jedes Zeitfenster einzeln drehen kann und dadurch wie ein frei einstellbarer Strahlteiler wirkt. Indem die Lichtteilchen mehrere Runden durch die Schleifen laufen, lassen sich benachbarte Zeitfenster gezielt zur Interferenz bringen und so beliebige Schaltungen nachbilden. Als Rechenteilchen dienen Photonenpaare mit einer Wellenlänge von 1545 Nanometern, die in einem nichtlinearen Kristallwellenleiter erzeugt werden. Insgesamt kann der Aufbau bis zu 30 Zeitfenster und damit 60 optische Moden gleichzeitig verwalten.
Um die Leistungsfähigkeit zu prüfen, rekonstruierten die Physiker die vollständige Wahrheitstabelle des Gatters und verglichen sie mit dem theoretischen Ideal. Dabei erreichte die Schaltung eine Güte von 93,8 Prozent bei einer Unsicherheit von 1,4 Prozentpunkten. Laut einer Mitteilung der Universität Paderborn öffnet dieser Wert die Tür zu größeren, rekonfigurierbaren Quantenschaltkreisen, weil er mit den besten räumlich kodierten Umsetzungen desselben Schemas mithalten kann. Bemerkenswert ist die Analyse der Fehlerquellen: Selbst ein perfekt arbeitendes Gatter hätte im Experiment höchstens eine Güte von 95 Prozent erreichen können, da die restliche Unterscheidbarkeit der Photonenpaare und seltene Mehrphotonen-Ereignisse der Quelle die Messung begrenzen. Die eigentliche Schaltung arbeitet demnach nahezu fehlerfrei, die verbleibenden Abweichungen stammen fast vollständig aus der Photonenerzeugung. Für optische Zwei-Qubit-Gatter zählt dieses Ergebnis zu den besten bislang berichteten Werten dieses Schaltungstyps.
In einem zweiten Schritt kombinierte das Team das C-NOT-Gatter mit einer Ein-Qubit-Operation und erzeugte damit alle vier sogenannten Bell-Zustände, die maximal verschränkten Grundzustände zweier Qubits. Die Verschränkung gelang mit Güten zwischen rund 78 und 86 Prozent und belegt, dass die Plattform die zentralen Bausteine universeller Quantenschaltungen beherrscht. Damit unterscheidet sich der Ansatz deutlich von spezialisierten Demonstrationen, bei denen Quantenprozessoren nur eine einzige, eigens gewählte Aufgabe bewältigen. So löste etwa Googles Sycamore-Prozessor eine Zufallsaufgabe 47 Jahre schneller als ein Supercomputer, ohne dass sich daraus unmittelbar universelle Rechenoperationen ableiten ließen. Der Paderborner Aufbau zielt dagegen auf die Grundoperationen, aus denen sich im Prinzip jeder beliebige Quantenalgorithmus zusammensetzen lässt, und kann seine Schaltvorgänge vollständig neu konfigurieren. Genau diese Kombination aus Verschränkungsfähigkeit und Programmierbarkeit galt in der Photonik lange als besonders schwer erreichbar.
Der entscheidende Vorteil des Zeitmultiplex-Ansatzes liegt in seiner Skalierbarkeit. Während bei räumlich kodierten photonischen Chips die Zahl der Strahlteiler, Phasenschieber und Koppler mit jeder zusätzlichen Mode wächst und damit auch Fertigungsfehler und Übersprechen zunehmen, bleibt die Zahl der aktiven Bauteile in der Paderborner Architektur konstant. Größere Netzwerke entstehen im Prinzip allein durch längere Glasfasern. Zudem lassen sich einzelne Zeitfenster während des Betriebs auslesen und die folgenden Operationen dynamisch anpassen, eine Fähigkeit, die für Fehlerkorrektur und rückgekoppelte Quantenschaltungen als unverzichtbar gilt. Grenzen zeigt das Experiment dennoch: Die Gesamteffizienz von der Quelle bis zum Detektor liegt bislang bei 21 Prozent, das Gatter arbeitet probabilistisch mit nachträglicher Auswahl erfolgreicher Ereignisse, und pro Stunde Messzeit tragen nur rund 450 Ereignisse zu erfolgreichen Gatteroperationen bei. Für praxisrelevante Rechnungen müssen diese Raten deutlich steigen.
Die Forscher sehen dafür einen klaren technischen Pfad. Schnellere elektro-optische Schaltungen mit Bandbreiten von bis zu 100 Megahertz, die in absehbarer Zeit verfügbar sein dürften, würden den Abstand der Zeitfenster um eine Größenordnung verkürzen, die Verluste in den Schleifen auf etwa zehn Prozent senken und die Datenraten des Systems um das Dreißigfache steigern. Das Ergebnis stärkt zugleich den Forschungsstandort Deutschland, der laut den Plänen der Bundesregierung zur Weltspitze bei Quantentechnologien aufschließen soll. In Paderborn steht mit dem 2024 vorgestellten System PaQS bereits Europas größte Maschine für das sogenannte Gaußsche Boson-Sampling, ein photonisches Spezialverfahren ohne universelle Gatter. Die neue Zeitmultiplex-Architektur ergänzt diese Vorarbeiten nun um genau jene rekonfigurierbaren Grundbausteine, die für einen universellen photonischen Quantenrechner noch fehlten. Bis ein solcher Rechner komplexe Alltagsprobleme löst, dürften allerdings noch Jahre intensiver Entwicklungsarbeit vergehen.
Nature Communications, Demonstration of a quantum C-NOT gate in a time-multiplexed fully reconfigurable photonic processor; doi:10.1038/s41467-026-74861-9