Wenn Photonen rechnen lernen

Quantencomputer basieren auf der Manipulation von einzelnen Quantenobjekten wie Photonen, Elektronen oder Atomen. Dabei helfen ihnen Quanteneffekte, nicht nur bestimmte Rechenaufgaben wesentlich schneller zu verarbeiten als klassische Computer, sondern sogar Aufgaben zu lösen, die selbst einen Supercomputer überfordern. Die dafür benötigte Quantentechnologie hat sich in den letzten Jahren immens weiterentwickelt, doch es ist immer noch eine große Herausforderung, einen marktreifen Quantencomputer zu bauen. Eine spannende offene Frage ist dabei, welche Quantenobjekte sich für die Umsetzung am besten eignen, da bestimmte Quantenobjekte individuelle Vorteile besitzen.

Mit Licht(geschwindigkeit) rechnen

Photonen, eine bestimmte Art von Bosonen, bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit über weite Strecken, ohne dabei ihre Information zu verlieren. Diesen einzigartigen Vorteil der Photonen nutzten Wissenschafter von der Universität Wien in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Jena (Deutschland) aus, um den Prototyp eines Bosonen Sampling Computers zu bauen.

Hierbei werden Photonen in ein kompliziertes optisches Netzwerk geschickt, in welchem es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, zu einem bestimmten Ausgang zu gelangen. Philip Walther von der Fakultät für Physik erklärt: "Da die Photonen den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, scheinen sie alle möglichen Wege gleichzeitig zu nehmen. Das nennt man Superposition. Das Rechenergebnis dieses Quantencomputers lässt sich erstaunlich einfach auslesen: Man misst, wie viele Photonen das optische Netzwerk durch welchen Ausgang verlassen."

Wie man einen Supercomputer übertrumpfen kann

Klassische Computer müssten für diese Berechnung eine exakte Beschreibung des optischen Netzwerks kennen. Sogar ein Supercomputer wäre bereits damit überfordert, die Bewegung von ein paar Dutzend Photonen durch ein optisches Netzwerk mit nur einigen hundert Ein- und Ausgängen zu berechnen. Für einen Bosonen Sampling Computer ist dies hingegen kein Problem.

Die Forscher treten nun mit ihrem Prototyp, welcher auf theoretischen Überlegungen von Wissenschaftern des Massachusetts Institute of Technology (USA) basiert, diesen Beweis an. "Es ist äußerst wichtig sich zu vergewissern, ob ein solcher Quantencomputer erwartungsgemäß funktioniert. Deswegen vergleichen wir das experimentelle Ergebnis mit den Vorhersagen der Quantenphysik. Ironischerweise kann man diese Vorhersagen nur auf einem klassischen Computer berechnen und  für kleinere Systeme ist dies zum Glück noch möglich", betont Max Tillmann, Erstautor der Veröffentlichung. Auf diese Weise konnten die Wissenschafter zeigen, dass der von ihnen realisierte Bosonen Sampling Computer mit hoher Präzision arbeitet. Die viel versprechenden Ergebnisse könnten wegweisend sein, um klassische Supercomputer in naher Zukunft zu übertrumpfen.

Die Publikation "Experimental Boson Sampling" (AutorInnen: Max Tillmann, Borivoje Dakić, René Heilmann, Stefan Nolte, Alexander Szameit, Philip Walther) erschien am 12. Mai 2013 in Nature Photonics (Advanced Online Publication). Die Printversion erscheint im Juli 2013.