Der kleinste Quantencomputer der Welt besteht aus nur einem einzelnen Photon

Photonen fungieren als nützliche Helfer in der Quantenphysik. Sie können nicht nur leicht erzeugt werden, sondern lassen sich auch miteinander verschränken und mittels Glasfaser oder Laserstrahl übertragen. Wenn es aber um die tatsächlichen Qubits geht, kommen andere Teilchen zum Einsatz – meist supraleitende Quantenpunkte oder Atome oder Ionen, die in Laserfallen gefangen sind. Forscher:innen aus Taiwan gelang es nun, den kleinsten Quantencomputer der Welt zu entwickelt. Er besteht nur aus einem Photon und kann komplexe mathematische Aufgaben lösen. So ist er etwa in der Lage, eine Zahl mittels des Shor-Algorithmus in Primzahlen zu zerlegen. Der Ein-Photon-Quantenrechner kommt zudem ohne Kühlung aus.

Ein Lichtteilchen statt klassischer Quibits

Die Qubits gängiger Quantencomputer müssen stark gekühlt werden, ansonsten würden sie quasi sofort ihre Kohärenz verlieren. Sie sind außerdem extrem anfällig für Störwirkungen von außen. Bei Photonen sieht das ein wenig anders aus. Auch im verschränkten Zustand sind sie deutlich widerstandsfähiger gegenüber Störquellen und müssen zudem nicht gekühlt werden. „ Unsere Arbeit demonstriert die enorme Kapazität der Informationsverarbeitung eines solchen hochdimensionalen Quantensystems selbst für komplexe Quantenaufgaben„, so Hao-Cheng Weng und Chih-Sung Chuu von der Tsinghua University in Taiwan.

Der neu entwickelte Ein-Photon-Quantencomputer basiert auf einem Lichtleiter, das durch verschiedene Wellenreiter und Glasfaserringe in unterschiedliche zeitabhängige Zustände versetzt werden kann. Diese zeitlichen Zustände repräsentieren weitere Dimensionen, in denen Informationen codiert und gespeichert werden können. Um diesen Zustand zu erreichen, wird das Wellenpaket eines einzelnen Photons von den Physiker:innen moduliert.

Ein Photon, 32 Zustände

Der Vorgang resultiert in einem Photon, das 32 verschiedene Zustände annehmen kann, was bedeutet, dass 32 Möglichkeiten der Datenspeicherung und -verarbeitung vorhanden sind. „Diese Codierung von Information in einem zeitlich langestreckten Photon in 32 Zeitbehältern oder Dimensionen ist ein Rekord – noch nie wurden so viele in einem einzelnen Photon realisiert. Es ist weltweit zudem das erste Mal, dass ein solches multi-dimensionales Photon genutzt wurde, um Quantenalgorithmen umzusetzen„, erklären Weng und Chuu.

Durch gezielte optische Manipulationen ist das Photon nicht nur in der Lage, Informationen zu transportieren, sondern es kann zudem auch Rechenoperationen durchführen. Die Forscher:innen implementierten zu diesem Zweck unter anderen zwei CNOT-Logikgatter in die Zustände ihres Photons.

Dann ließen sie den Ein-Photonenrechner den Shor-Algorithmus ausführen. Dabei handelt es sich um einen Algorithmus, mit dem Quantencomputer Primzahlen in ihre Faktoren zerlegen können. Unter anderem gelang es, mit Hilfe des neuartigen Quantencomputers die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 5 und 3 zu zerlegen. „Wir haben damit eine kompilierte Version des Shor-Algorithmus mit einem einzigen Photon umgesetzt„, erläutern die beiden Physiker.

Neue Möglichkeiten im Quantencomputing

Nach Ansicht des Teams eröffnet diese Technik neue Möglichkeiten im Bereich optisches Quantencomputing. Ein multidimensionales Photon als Basis für einen Quantencomputer ist deutlich besser kontrollierbar als herkömmliche Qubits.

Das nächste Ziel der Forscher ist es nun, die Informationskapazität des Ein-Photon-Quantencomputers weiter zu erhöhen, um dann auch komplexere Rechenaufgaben bewältigen zu können.

via National Tsing Hua University