Rechnen mit Licht

Rund 700 Millionen Transistoren stecken heute in jedem gängigen Computer-Prozessor. Ihre immer größere und schnellere Rechenleistung verdanken moderne PCs der immer größeren Zahl winziger Schaltkreise, die unter ihrem Gehäuse verbaut sind.

Doch die Miniaturisierung in der IT-Branche hat ihre Grenzen längst erreicht: „Kleinere Transistoren sind praktisch nicht möglich; insofern ist auch die Zahl, die in einem Computer Platz findet, inzwischen begrenzt“, weiß Prof. Dr. Alexander Szameit von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Um die Rechnerleistung künftig noch weiter zu verbessern, brauche es daher völlig neue Konzepte, so der Juniorprofessor für Diamant-/Kohlenstoffbasierte optische Systeme.

Ein Konzept, in das nicht nur der Physiker Szameit und seine Kollegen große Hoffnungen setzen, sind Quanten-Computer. Doch deren Entwicklung steckt noch in den Kinderschuhen: Erste einfache Prototypen sind raumfüllende Ungetüme. Gemeinsam mit Fachkollegen um Prof. Dr. Philip Walther aus Wien haben Prof. Szameit und sein Mitarbeiter René Heilmann jetzt jedoch einen optischen Schaltkreis entwickelt, der auf einem handtellergroßen Glas-Chip Platz findet und der es ermöglicht, mittels sogenannter verschränkter Photonen Informationen zu verarbeiten. Diesen optischen Quanten-Computer-Chip stellen die Physiker in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Nature Photonics“ vor (DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.102).

„Wir nutzen Photonen – also Lichtteilchen – zur Informationsverarbeitung“, erläutert Heilmann, der als Doktorand in der Gruppe von Prof. Szameit arbeitet. Bei diesem „Bosonen-Sampling“ genannten Verfahren werden Photonen durch ein System von Wellenleitern geschickt, die in den Glas-Chip graviert sind und anschließend detektiert. Der Kniff dieser zunächst wenig spektakulär klingenden Versuchsanordnung steckt im Detail: Die eingesetzten Photonen sind miteinander verschränkt – so nennen Physiker zwei oder mehrere Quantenteilchen, deren Eigenschaften sich gegenseitig bedingen. „Verschränkte Photonen gehen aus ein und demselben Ursprungsphoton hervor und unterscheiden sich zum Beispiel nur in ihrer Polarisationsrichtung.“ Ändert sich die Polarisation des einen Photons, wird damit zugleich die Polarisation des anderen festgelegt. Diese von Albert Einstein einst „spukhafte Fernwirkung“ genannte Verschränkung ist die grundlegende Eigenschaft von Teilchen, um sie in Quanten-Computern als Informationsträger nutzen zu können.

Während konventionelle Transistoren lediglich mit zwei Zuständen der Informationsträger arbeiten – mit „an“ und „aus“ bzw. „0“ und „1“ – können diese in Quanten-Computern viel mehr unterschiedliche Zustände einnehmen, was die Rechenleistung und damit die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung um ein Vielfaches erhöht. „Das, wozu ein üblicher Computer mehrere Millionen Transistoren benötigt, kann ein Quanten-Computer mit vielleicht 10 Photonen schaffen“, verdeutlicht Szameit. So können sich auch sehr komplexe Probleme lösen lassen, die konventionelle Rechner nur mit extrem großem Zeitaufwand bewältigen.

Im vorliegenden Fall haben die Forscher verschränkte Photonen durch optische Schaltkreise geschickt und aus der statistischen Verteilung der Lichtteilchen dessen innere Struktur berechnet. „Ein konventioneller Computer hätte dazu eine nahezu unendlich lange Zeit gebraucht“, sagt Szameit. Da sich die Forscher aber die Quanteneigenschaften der verschränkten Photonen zunutze gemacht haben, konnten sie mehr Informationen extrahieren als es auf dem klassischen Weg möglich gewesen wäre. Damit haben die Physiker aus Jena und Wien den Beweis geliefert, dass es möglich ist, mit Licht zu rechnen – auch wenn der Weg zum ersten optischen Quanten-Computer noch weit sein dürfte.

Original-Publikation:
Tillmann M et al. Experimental Boson Sampling, Nature Photonics 2013, advanced online publication (DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.102).

Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Szameit
Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Albert-Einstein-Straße 15, 07745 Jena
Tel.: 03641 / 947985
E-Mail: alexander.szameit[at]uni-jena.de