Orientierungslauf im Mikrokosmos

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner. Daher soll er in nicht allzu ferner Zukunft Probleme lösen können, die für klassische Supercomputer praktisch unlösbar sind. Physiker sprechen auch von einer „quantum computational supremacy“.

Doch noch steht der Nachweis für diese Überlegenheit des Quantencomputers aus: Effekte aus der Quantenmechanik für Kalkulationen zu nutzen, gestaltet sich schwierig; die bisherigen Prototypen konnten daher lediglich sehr einfache Probleme lösen. Forscher der Universität Würzburg und der chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei und Shanghai schicken sich an, das zu ändern. Ihre Studien sind jetzt in den Fachzeitschriften Nature Photonics und Physical Review Letters erschienen.

Die Wissenschaftler haben eine spezielle Variante eines Quantenrechners gebaut, die auf eine einzige Aufgabe spezialisiert ist. „Es handelt sich also nicht um einen wirklichen universellen Quantencomputer, sondern gewissermaßen um einen kleineren Bruder, der nur ein spezielles Problem lösen kann“, erklärt Professor Sven Höfling vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg.

Ein zentraler Bestandteil dieses Rechners wurde von Höfling und seinen Kollegen Dr. Christian Schneider und Dr. Martin Kamp über Jahre hinweg entwickelt und verbessert – eine so genannte Einzelphotonenquelle. Diese erzeugt auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen (Photonen). Bei einer Glühlampe oder einem Laser kann dagegen nie vorhergesagt werden, wie viele Photonen zu einer bestimmten Zeit abgegeben werden.

Basis vieler quantenoptischer Experimente

Die Würzburger Lichtquelle hat noch einen weiteren Vorteil: Die emittierten Lichtteilchen ähneln einander wie ein Ei dem anderen – sie haben exakt die gleiche Farbe und breiten sich in die gleiche Richtung aus. „Einzelne Photonen wie diese sind eine Grundvoraussetzung für viele quantenoptische Experimente“, betont Höfling. „Wir haben unsere Methoden in jahrelanger Arbeit so optimiert, dass wir derartige Lichtteilchen inzwischen sehr effizient und zuverlässig erzeugen können.“ In Zahlen: Wenn die Wissenschaftler 100 Mal den Knopf drücken, spuckt ihre Lichtquelle bis zu 74 Mal ein einzelnes Photon aus. Nur ein einziges Mal entstehen irrtümlich zwei Photonen gleichzeitig.

Die Partner aus Hefei und Shanghai schickten die Photonen nun auf eine Art optischen Orientierungslauf: Sie ließen die Lichtteilchen durch ein Material wandern, in dem diese – bildlich gesprochen – in regelmäßigen Abständen auf eine Weggabelung trafen. Sie mussten sich dann stets für den linken oder rechten Pfad entscheiden.

Ihre Situation ähnelte dabei der eines Mannes, der eine Münze in der Hand hält und diese mehrmals hintereinander wirft. Immer wenn sie „Kopf“ zeigt, macht er einen Schritt nach rechts. Liegt dagegen „Zahl“ oben, geht es einen Schritt nach links. Nach zehn Würfen hat sich der Mann wahrscheinlich nicht allzu weit vom Ausgangspunkt entfernt: „Kopf“ und „Zahl“ fallen in etwa gleich häufig. Um zehn Schritte nach rechts zu gehen, müsste er dagegen zehn Mal hintereinander „Kopf“ werfen. Und das kommt eher selten vor.

Quantenspaziergang mit fünf Teilnehmern

Würde man dieses Experiment 1.000 Mal hintereinander durchführen und nach jedem Durchgang den Standort des Mannes notieren, erhielte man daher eine typische Glockenkurve: Sehr häufig endet die Reise irgendwo in der Nähe des Startpunkts. Weit links oder rechts befindet sich der Mann dagegen selten.

Das Experiment nennt sich „Zufallswanderung“, englisch: „random walk“. Das Phänomen ist in vielen Bereichen der Natur zu finden, etwa als Brownsche Molekularbewegung. In der Welt der Quantenphysik gibt es ein Analogon, den „random quantum walk“. Das Ergebnis dieses Quantenspaziergangs lässt sich jedoch wegen der Quanteninterferenz ununterscheidbarer Teilchen viel schwerer vorhersagen – besonders, wenn sich mehrere Teilchen gleichzeitig auf den Weg machen. „Schon ab etwa 20 Photonen stoßen klassische Computer an ihre Grenzen“, erklärt Höfling. „Unsere Partner aus China nutzen daher die einzelnen Photonen in Verbindung mit einem photonischen Schaltkreis für eine Quantensimulation, die das Problem nachbildet.“

In den jetzt publizierten Veröffentlichungen  schickten sie bis zu fünf Photonen gleichzeitig auf Reise. Für die Ermittlung der Verteilung benötigten sie mit ihrem Ansatz in etwa so viel Zeit, wie auch die allerersten elektronischen Computer gebraucht hätten. „Wir sind aber optimistisch, dass wir mit unserer Methode prinzipiell auch Simulationen mit 20 oder mehr Photonen durchführen können“, hofft Sven Höfling. „Damit kämen wir in einen Bereich, in dem sich erstmals eine echte Überlegenheit der Quantentechnologie über klassische Rechenmaschinen zeigen könnte, und daran arbeiten wir.“

Hui Wang u.a.: High-efficiency multiphoton boson sampling; Nature Photonics; DOI: 10.1038/nphoton.2017.63.

 Yu He u.a.:Time-Bin-Encoded Boson Sampling with a Single-Photon Device; Phys. Rev. Lett. 118, 190501 (2017)

Kontakt

Prof. Dr.  Sven Höfling, Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg, T: (0931) 31-83613, E-Mail: sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de