Photonenquelle im Eigenbau

Der große Vorteil des Boson Sampling mit Licht ist, dass in dem Aufbau nur einfache, passive optische Teile benötigt werden, deren Eigenschaften sich nicht ändern müssen, während die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit den Versuchsaufbau durchqueren. Die Idee dahinter ist es, mehrere voneinander unabhängige, aber nicht unterscheidbare Photonen gleichzeitig durch eine optische Anordnung in ein Interferometer mit mehreren Ausgängen laufen zu lassen. Am Ende messen Detektoren an jedem Ausgang des Interferometers, ob Photonen angekommen sind und ob sie tatsächlich gleichzeitig eintrafen.

Die nötigen Detektoren gab es schon. Aber eine Lichtquelle, die für das Experiment gut genug kontrollierbar ist, musste erst noch entwickelt werden. Das Licht muss aus unterschiedlichen Quellen kommen, die tatsächlich unabhängig voneinander gezielt einzelne Photonen mit der gleichen Wellenlänge abgeben und in einen Lichtleiter einkoppeln können. Ein Laser kann das nicht leisten. Er erzeugt Licht durch stimulierte Emission angeregter Atome. Aber es lässt sich nicht vorhersagen, wie viele Atome angeregt sind und wie viele davon zur Emission stimuliert werden.

Die Photonen kommen aus Mikrosäulen mit Quantenpunkten

Die Forscher mussten deshalb zunächst eine geeignete Lichtquelle selbst entwickeln und stellten 2015 die ersten Prototypen zur Erzeugung der Photonen vor. Das Mittel der Wahl waren Quantenpunkte in wenige Mikrometer großen transparenten Säulen, die mit herkömmlicher Halbleitertechnik auf einem Wafer erzeugt wurden und 2016 zu der nötigen Lichtquelle weiterentwickelt wurden, die für die Einkopplung des Lichts in Glasfasern und den Aufbau des Experiments geeignet waren.

Die Optik wird so gewählt, dass nicht vorherbestimmt werden kann, welche Photonen welchen Weg nehmen. Zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, mit der die Photonen einen bestimmten Weg nehmen, wird die Permanente einer Matrix benötigt. Der beste bekannte Algorithmus benötigt dafür rund 2^(n+1)*n^2 Rechenschritte. Also etwa 200.000 Rechenschritte, wenn zehn Photonen das Interferometer gleichzeitig durchqueren. Bei 20 Photonen sind es 200 Millionen Rechenschritte, für 30 Photonen werden schon zwei Billionen benötigt. Vor allem gibt es auch keine Abschätzung, die sich schneller berechnen lassen würde.

Der Rechner muss nur zählen können

Um die Permanente mit dem optischen Rechner zu bestimmen, muss dagegen nur gemessen werden, wie viele Photonen bei welchen Detektoren jeweils angekommen sind. Der Zeitaufwand dafür steigt nur linear, ist also viel geringer, und auch der Aufwand im Aufbau des nötigen Rechners steigt nicht exponentiell. Es ergibt sich aber ein Problem, das sich beispielsweise bei der Primfaktorzerlegung mit einem universellen Quantencomputer nicht stellen würde. Es gibt keinen anderen schnellen Weg, das Ergebnis zu überprüfen.

Während die Primfaktorzerlegung ein schwieriges Problem ist, ist es sehr einfach, Primfaktoren zu multiplizieren und zu überprüfen, ob die ursprüngliche Zahl dabei herauskommt. Bei der Bestimmung der Permanente einer Matrix sind die Forscher dagegen darauf angewiesen, dass der Computer richtig funktioniert, sobald die Berechnung zu komplex wird, um sie mit klassischen Supercomputern noch nachzuvollziehen. Aber es würde schon reichen zu beweisen, dass der optische Computer Berechnungen in kurzer Zeit durchführen kann, die klassische Computer an die Grenzen ihrer Fähigkeiten bringen.

Bevor die Forscher in dafür relevante Regionen vordringen, ist aber noch einiges zu tun. In ihren aktuellen Experimenten konnten sie nicht mehr als fünf Photonen erfolgreich gleichzeitig messen. Dabei war das Experiment aber noch auf einen möglichst einfachen Aufbau und noch nicht auf maximale Leistung getrimmt. Mit supraleitenden Detektoren und reflexionshemmenden Beschichtungen soll die gleiche Technik auch Messungen von bis zu 14 gleichzeitigen Photonen erlauben, und weitere Verbesserungen im Aufbau sind auch schon in der Entwicklung.