Einer, der sie alle beherrscht. Physiker haben die Architektur eines photonischen Quantencomputers vereinfacht

Moderne Quantencomputer sind sehr komplexe Geräte, die schwer zu bauen und zu skalieren sind und für deren Betrieb extrem niedrige Temperaturen erforderlich sind. Aus diesem Grund interessieren sich Wissenschaftler seit langem für optische Quantencomputer. Photonen können Informationen leicht übertragen, und ein photonischer Quantencomputer könnte bei Raumtemperatur funktionieren. Das Problem ist jedoch, dass man zwar weiß, wie man einzelne Quantenlogik-Gatter für Photonen baut, es aber eine große Herausforderung ist, eine große Anzahl von Gattern zu schaffen und sie so zu verbinden, dass komplexe Berechnungen durchgeführt werden können.

Ein optischer Quantencomputer könnte jedoch eine einfachere Architektur haben, argumentieren Forscher der Stanford University in Optics. Sie schlagen vor, ein einzelnes Atom mit Hilfe eines Lasers zu manipulieren, das seinerseits - mit Hilfe des Phänomens der Quantenteleportation - den Zustand eines Photons verändert. Ein solches Atom kann zurückgesetzt und in mehreren Quantengattern verwendet werden, so dass es nicht notwendig ist, verschiedene physikalische Gatter zu bauen, was wiederum die Architektur eines Quantencomputers erheblich vereinfachen wird.

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Wollte man einen solchen Quantencomputer bauen, müsste man Tausende von Quantenemissionsquellen schaffen, sie voneinander ununterscheidbar machen und sie in einen großen photonischen Schaltkreis integrieren. In der Zwischenzeit verwendet unsere Architektur eine kleine Anzahl recht einfacher Komponenten, und die Größe unserer Maschine wächst nicht mit der Größe des Quantenprogramms, das auf ihr läuft, erklärt der Doktorand Ben Bartlett, Hauptautor eines Papiers, das die Arbeit der Stanford-Physiker beschreibt.

Die neuartige Architektur besteht aus zwei Hauptkomponenten. Der Ring, der die Daten speichert, ist einfach eine Schleife aus Glasfasern, in der Photonen zirkulieren. Er funktioniert wie ein Speicherchip, wobei jedes Photon ein Qubit darstellt. Die Forscher können das Photon manipulieren, indem sie es vom Ring zur Streuungseinheit leiten. Dieser besteht aus einem optischen Hohlraum, der ein einzelnes Atom enthält. Das Photon wechselwirkt mit dem Atom und beide werden verschränkt. Das Photon kehrt dann in den Ring zurück, und der Laser verändert den Zustand des Atoms. Da es mit dem Photon verschränkt ist, führt eine Zustandsänderung des Atoms auch zu einer Änderung des Zustands des Photons. Wenn man den Zustand des Atoms misst, kann man den Zustand des Photons untersuchen. Auf diese Weise benötigen wir nur 1 atomares Qubit, mit dem wir alle photonischen Qubits manipulieren können, fügt Bartlett hinzu.

Da jedes Quantenlogik-Gatter in eine Reihe von Operationen auf einem Atom kompiliert werden kann, wäre es theoretisch möglich, jedes Quantenprogramm auf diese Weise mit nur einem atomaren Qubit auszuführen. Der Betrieb eines solchen Programms würde aus einer ganzen Reihe von Operationen bestehen, bei denen Photonen mit dem atomaren Qubit interagieren würden.