Forscher am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) haben eine Arbeit veröffentlicht, in der das Fachwissen aus den Bereichen der experimentellen und theoretischen Physik zweier Forschungsgruppen zusammenfließt: der Gruppe „Integrierte Quantenoptik“ unter der Leitung von Christine Silberhorn und der Gruppe „Theoretische Quantenwissenschaft“ unter der Leitung von Jan Sperling. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit stellen Jonas Lammers, Laura Ares und ihre Mitautoren einen neuartigen photonischen Prozessor für die Quanteninformationsverarbeitung vor.
Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Prozessoren nutzen photonische Prozessoren Licht, um Informationen zu übertragen und zu verarbeiten. Bei der optischen Informationsverarbeitung werden Informationen in sogenannten optischen Moden kodiert. Diese Moden lassen sich als verschiedene „Kanäle“ betrachten, die dem Prozessor zur Verfügung stehen – ähnlich wie Bits die Grundeinheiten der Information in der herkömmlichen Datenverarbeitung darstellen. Wichtig ist, dass photonische Prozessoren auf der Ebene einzelner Photonen, der kleinsten Einheiten des Lichts, arbeiten können, was sie für die Verarbeitung von Quanteninformationen geeignet macht. Dies macht sie zu einer der vielversprechendsten Plattformen für zukünftige Quantentechnologien, da sich Photonen nahezu störungsfrei ausbreiten lassen und mit hoher Präzision manipuliert werden können.
In den letzten Jahren wurden optische Prozessoren bereits eingesetzt, um den Quantenvorteil bei bestimmten Aufgaben nachzuweisen, beispielsweise bei sogenannten „Gaussian Boson Sampling“-Experimenten, die für herkömmliche Computer äußerst schwierig sind. Der Übergang von diesen Prinzipnachweisen hin zur praktischen Quanteninformationsverarbeitung erfordert jedoch optische Prozessoren, die skalierbar, effizient und robust gegenüber Rauschen und Unvollkommenheiten sind.
Ähnlich wie herkömmliche Prozessoren besteht der entwickelte photonische Prozessor aus einer einzigen Kerneinheit, die auf benachbarte optische Moden einwirkt, sowie einer Rückkopplungsschleife, die es ermöglicht, diese Kerneinheit mehrfach wiederzuverwenden. Dadurch lässt sich der Prozessor auf eine beliebig große Anzahl optischer Moden erweitern, ohne dass für jeden Vorgang eine völlig neue physikalische Komponente erforderlich ist. Dabei nutzen die Forscher eine der wesentlichen Stärken des Lichts als Informationsträger: Licht bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Kodierung optischer Moden, wie beispielsweise seine Farbe, Polarisation oder Ankunftszeit. Die Forscher zeigen, dass der photonische Prozessor durch die Kombination mehrerer dieser Kodierungsmöglichkeiten sowohl einzigartig robust gegenüber experimentellem Rauschen als auch hochgradig skalierbar wird.
Darüber hinaus zeigen die Forscher, wie der photonische Prozessor so programmiert werden kann, dass er jede beliebige unitäre Transformation ausführt, was die Grundlage für jedes optische Informationsprotokoll bildet. Dazu ordnen sie die in der Kerneinheit verfügbaren Operationen einer Zahlenfolge zu und sortieren diese Folge mithilfe eines bestimmten Verfahrens aus der Informatik, das als paralleler Bubble-Sort-Algorithmus bekannt ist. Dieser Sortiervorgang entspricht der Programmierung des photonischen Prozessors und gibt direkt an, welche Abfolge von Kernoperationen angewendet werden muss. Insgesamt haben die Forscher eine neue Architektur für photonische Prozessoren vorgestellt, die universell, hoch skalierbar und gleichzeitig rauschresistent ist.
Diese Arbeit wurde im Rahmen des „Horizon Europe“-Projekts EPIQUE (Fördernummer 101135288) gefördert.
Lammers, J.; et al., “Resource efficient universal photonic processor based on timemultiplexed
hybrid architecture”, Phys. Rev. Applied, 10.1103/x99y-2sms (2026)
