Zeitmultiplex-Photonik ermöglicht hochpräzise Quantengatter für universelle photonische Quantencomputer –
Quantencomputer versprechen, bestimmte Probleme zu lösen, an denen klassische Computer an ihre Grenzen stoßen. Photonen gelten dabei als besonders vielversprechende Informationsträger, da sie weitgehend unempfindlich gegenüber störenden Umwelteinflüssen sind und sich auf der Ebene einzelner Qubits präzise kontrollieren lassen. Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch darin, dass Photonen von Natur aus kaum miteinander wechselwirken – eine Eigenschaft, die für die Realisierung logischer Quantenoperationen erforderlich ist. Forschende aus dem QR.N-Verbund am Standort Paderborn haben nun eine neuartige Zeitmultiplex-Architektur entwickelt, mit der sich eine hochpräzise photonische Quantengatter-Schaltung realisieren lässt. Diese umfasst unter anderem ein kontrolliertes NOT-Gatter (C-NOT), das zu den grundlegenden Bausteinen universeller gatterbasierter Quantencomputer zählt. In Kombination mit Operationen an einzelnen Qubits ermöglicht ein C-NOT-Gatter beliebige Quantenschaltungen, die Erzeugung von Verschränkung sowie die Ausführung von Quantenalgorithmen. Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen, die auf komplexen und nur begrenzt skalierbaren optischen Aufbauten basieren, eröffnet die neue Architektur einen vielversprechenden Weg zu skalierbaren photonischen Quantencomputern. Die Ergebnisse wurden Ende Juni 2026 in Nature Communications veröffentlicht.
Im Paper beschreiben die Forschenden eine skalierbare Zeitmultiplex-Architektur für photonische Quantenberechnungen. Die Plattform basiert auf schnellen elektrooptischen Modulatoren und kann so programmiert werden, dass sie ein optisches Interferometer im Zeitbereich realisiert. Anstatt die Quanteninformation räumlich über verschiedene Lichtpfade zu kodieren, wurde sie im Experiment zeitlich kodiert. Bei diesem sogenannten Time-Multiplexing durchlaufen mehrere Qubits dasselbe optische Modul, werden jedoch in unterschiedlichen Zeitfenstern übertragen. Dadurch lässt sich die Zahl der benötigten optischen Komponenten deutlich reduzieren – ein wichtiger Vorteil für die Skalierung photonischer Quantencomputer. Mithilfe dieses Ansatzes realisierte das Team ein nachselektiertes C-NOT-Gatter mit einer Güte von rund 94 Prozent. Darüber hinaus zeigten die Forschenden, wie sich auf der zeitmultiplexierten Plattform ein C-NOT-Gatter mit einem Einzel-Qubit-Gatter kombinieren lässt, um alle vier Bell-Zustände zu erzeugen.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit der zeitmultiplexierten Plattform komplexe Quantenoperationen flexibel umsetzen lassen und eröffnen neue Möglichkeiten für größere rekonfigurierbare Quantenschaltungen. Gleichzeitig unterstreichen sie sowohl die hohe Qualität des realisierten C-NOT-Gatters als auch das Potenzial des Zeitmultiplex-Ansatzes als Plattform für universelle photonische Quantenberechnungen. Für die Zukunft sieht das Team großes Potenzial in der Weiterentwicklung der Hardware. Schnellere elektrooptische Schaltungen könnten die Datenraten in absehbarer Zeit deutlich erhöhen und die Effizienz des Systems weiter steigern. Die Arbeit stellt damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu skalierbaren, universellen photonischen Quantencomputern dar.
Quellennachweis: https://physik.uni-paderborn.de/nachrichten/nachricht/skalierbare-photonische-quantencomputer-neuer-durchbruch-mit-zeitmultiplex-photonik
