Projekt | Universität Paderborn

Überblick

Quantentechnologien werden einen transformativen Einfluss auf unsere Gesellschaft besitzen; insbesondere Quantencomputing welches den grundlegenden quantenmechanischen Effekt der Verschränkung für die effiziente Berechnung von Aufgaben verwendet, die mit einem klassischen Computer in realistischer Zeit nicht durchgeführt werden können. Zusammen mit superleitenden Quantenzuständen (Qubits) sind Photonen die einzigen Plattformen, welche einen solchen Quantenvorteil bereits demonstriert haben.

Allerdings wird die Quantenphotonik ihre Erwartungen als bahnbrechende Technologie nur erfüllen, wenn sie auf skalierbare Weise integriert wird. Die Lösung liegt in quantenphotonischen integrierten One-way Quantencomputing Schaltkreisen, in denen verschränkte Photonen-Clusterzuzstände zur Kodierung und Verarbeitung von Quanteninformation auf einem kompakten photonischen Schaltkreis verwendet werden.

In diesem Projekt wird die Universität Paderborn einen integrierten photonischen Schaltkreis realisieren, welcher dank ultra-schneller integrierter Modulatoren und kryogener Elektronik diese Feed-forward Operation ermöglicht. Dank der Dünnschichtlithiumniobat auf-Isolator-(LNOI) Plattform, welche über einen großen elektrooptischen Effekt, niedriger Transmissionsverluste in einem breiten Wellenlängenbereich, sowie starker Nichtlinearität verfügt, ist es der Universität Paderborn möglich alle Qubitmanipulationsoperationen eines One-way Quantencomputers auf einer einzigen Materialplattform zu realisieren. Das gleichzeitige Verbinden aller One-way Quantencomputing-Bausteine auf einer einzigen Materialplattform gewährleistet hohe Kompatibilität und ermöglicht eine effiziente Skalierbarkeit. Die Universität Paderborn entwickelt damit die Kerntechnologie zur Realisierung des ersten skalierbaren, integrierten One-way Quantencomputer Demonstrator QPIC-1.

Motivation

Quantencomputer haben das Potential, komplexe Berechnungen deutlich effizienter durchzuführen als klassische Computer, indem sie die bemerkenswerten Eigenschaften der Quantenphysik gezielt ausnutzen. Der erwartete Geschwindigkeitsvorteil ist dabei so erheblich, dass Probleme berechenbar werden, die mit klassischen Computern als nicht lösbar gelten. Um Probleme aus praktischen Anwendungen zu lösen, müssen aber Systeme entwickelt werden, die mit einer erheblich größeren Anzahl an Quanten-Bits, sogenannten Qubits, arbeiten können als bisherige Prototypen.

Ziele und Vorgehen

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen Plattform für einen Quantencomputer bei dem einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, als Qubits verwendet werden. Dazu sollen neuartige Quellen entwickelt werden, die Quantenlicht erzeugen, wie auch integrierte photonische Schaltkreise, in denen die Informationsverarbeitung stattfindet.