An der Universität Paderborn haben es Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen 2024 geschafft, Europas größten Sampling-basierten Quantencomputer zu bauen. „Paqs“ („Paderborn Quantum Sampler“) ist im Rahmen der Phoquant-Förderinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) von Forschenden der Universität Paderborn gemeinsam mit den Partnern Menlo Systems, Fraunhofer IOF Jena und Swabian Instruments aufgebaut worden.

Doch insgesamt vereint das mit rund 50 Millionen Euro geförderte Projekt die Expertise von 13 Partner aus Wissenschaft und Industrie. Koordiniert wird das Projekt vom deutschen Quantentechnologieunternehmen Qant, Es folgt ein zweiter Sampling-basierten Quantencomputer mit Cloud Access am Standort des IOF in Jena.

Professor Christine Silberhorn, Physikerin und Sprecherin des „Instituts für Photonische Quantensysteme“ (PhoQS) an der Universität Paderborn, erläutert: „Die aktuell größten photonischen Quantencomputer stehen derzeit in China, Singapur, Frankreich und Kanada.“ Jeder technologische Ansatz im Quantencomputing habe seine Vor- und Nachteile. Zum Beispiel können photonische Netzwerke, also solche, die auf Licht basieren und mit kleinen Lichtteilchen, den Photonen, arbeiten, bei Raumtemperatur betrieben und in miniaturisierten, programmierbaren Schaltungen implementiert werden. Aber sie hätten mit optischen Verlusten zu kämpfen.

Sie fährt fort: „Diesem Problem stellen wir uns, indem wir auf die weltführende Expertise Deutschlands in der integrierten Photonik zurückgreifen.“ Und sie verweist auf die Erfolge: „Uns ist es gelungen, einen so genannten ‚Gaußschen Boson Sampler‘ zu realisieren, der aus skalierbaren Bauelementen besteht. Dafür mussten viele Komponenten erst neu entwickelt werden. Dies ist ein aufwendiger Prozess, der anschaulich die Größe und Komplexität des Unterfangens zeigt.“

Die Programmierbarkeit

Die Paderborner haben mit Paqsden bisher die größte „Gaußsche-Boson-Sampling-Maschine“ realisiert. Dabei wird – vereinfacht ausgedrückt – gemessen, aus welchen Ausgängen eines photonischen Netzwerkes die Photonen kommen. „Das Gaußsche-Bosonen-Sampling ist ein Modell des photonischen Quantencomputers, das als Plattform für den Bau von Quantengeräten Aufmerksamkeit erlangt hat“, so Silberhorn.

Im Gegensatz zu früheren Implementierungen habe das Team den Rechner mit Blick in Richtung Systemintegration und vollständiger Programmierbarkeit gebaut. „Das bedeutet ganz konkret, dass wir ein voll programmierbares und integriertes Interferometer verwenden, mit dem wir jede gewünschte Konfiguration umsetzen können. Bei diesem Ansatz werden Lichtteilchen in einem Netzwerk von Lichtwellenleitern — man kann sich das etwa als Weichennetz in einem Rangierbahnhof vorstellen — verteilt und gelenkt. Am Ausgang des Netzwerks misst man, wo die Photonen aus dem Netzwerk herauskommen. Relevant könnte das zum Beispiel für die Lösung von Proteinfaltungsproblemen oder die Berechnung molekularer Zustände im Rahmen der Medikamentenforschung sein“, hält Silberhorn fest.

Die vollständige Programmierbarkeit bedeute außerdem, dass selbst solche Anwendungen implementiert werden können, die sich aus zukünftigen Untersuchungen ergeben, womit eine nie dagewesene Flexibilität und ein hoher Grad an Anwendbarkeit einhergehen.

Viel Basiswissen gefragt

Die Implementierung eines solchen Systems erfordert ein tiefes Verständnis aller beteiligten Bausteine. Quantenmechanische Phänomene wie das so genannte Quetschen und die Überlagerung oder Verschränkung von Photonen sorgen für die unglaublich hohe Rechenleistung von Quantencomputern. Am Anfang steht dabei immer die Erzeugung einer bestimmten Quantenressource.

Silberhorn erklärt: „Bei dem Gaußschen-Bosonen-Sampling ist diese Ressource als ,Squeezing‘ oder ,gequetschtes Licht‘ bekannt, dessen quantenmechanische Eigenschaften manipuliert und damit nutzbar gemacht wurden.“ Die Fachgruppe ‚Integrierte Quantenoptik‘ an der Universität Paderborn habe eine lange Tradition in der Verwendung von optischen Wellenleitern, um hoch optimierte gequetschte Zustände zu entwickeln. „Wir haben auf diese Expertise zurückgegriffen, um eine Lichtquelle zu produzieren, die die Paqs-Maschine antreibt.