Diese chinesischen Wissenschaftler haben eine photonische Stadt auf einem Chip von der Größe eines kleinen Fingernagels gebaut!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (PhD, Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Stellen Sie sich vor, wir könnten die verschiedenen Freiheitsgrade des Lichts manipulieren, sogar seine geheime Identität – seinen Quantenzustand?

Genau dieses Wunder verspricht das optische Quantencomputing.

Es ist nicht nur superschnell, sondern auch energiesparend, verfügt über eine hohe Bandbreite und kann wie ein „superphotonisches Gehirn“ enorme Mengen an Informationen gleichzeitig verarbeiten.

Die Integration dieser Photonen in einen winzigen photonischen Quantenchip ist jedoch vergleichbar mit dem Bau einer Photonenstadt und stellt eine äußerst komplexe experimentelle Aufgabe dar.

Es gibt jedoch gute Neuigkeiten!

Abbildung 1 Physikalisches Bild eines ultragroßen integrierten photonischen Quantenchips

(Bildquelle: Nature Photonics) Referenzen [1]

Im April 2023 gelang es einem wissenschaftlichen Forschungsteam unter der Leitung des Forschers Wang Jianwei und des Professors Gong Qihuang von der Peking-Universität in Zusammenarbeit mit Partnern, die Herstellungsschwierigkeiten ultragroßer integrierter photonischer Quantenchips zu lösen und die Schlüsseltechnologien zur Manipulation photonischer Quantenzustände zu beherrschen. Sie haben einen innovativen photonischen Quantenchip entwickelt – „Boya No. 1“.

Dieser optische Quantenchip „Boya Nr. 1“ nutzt die Multiphotonentechnologie und ermöglicht erstmals die Herstellung und Steuerung hochdimensionaler quantenverschränkter Zustände. Dies ist ein großer Durchbruch auf dem Gebiet des optischen Quantencomputings. Darüber hinaus haben Wissenschaftler auf diesem optischen Quantenchip erfolgreich eine auf der Graphentheorie basierende, programmierbare Bose-Sampling-Quantencomputeraufgabe demonstriert.

Dieses Forschungsergebnis wurde in der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht. Der Titel des Papiers lautet „Very-large-scale integrated quantum graph photonics“. Dies ist ein großer Fortschritt auf dem Gebiet des optischen Quantencomputings und zugleich eine kühne Vorstellung unserer zukünftigen Technologie.

Abbildung 2: Die wissenschaftliche Arbeit „Graph Quantum Photonics for Ultra-Large Scale Integration“, veröffentlicht in Nature Photonics

(Bildquelle: Nature Photonics) Referenzen [1]

1. Wenn Graphentheorie auf photonische Quantenchips trifft: eine „Zweiwegereise“ zwischen Mathematik und Physik

Stellen Sie sich vor, Sie betreten ein Labor mit zwei Wissenschaftlern: einem Mathematiker, der sich mit Graphentheorie beschäftigt, und einem Physiker, der sich mit optischer Quanteninformatik beschäftigt. Die Kombination ist wie das Brot und die Erdnussbutter der Wissenschaft – eine leistungsstarke Kombination, die unerwartet köstliche Ergebnisse hervorbringen könnte.

Der Mathematiker könnte zuerst sprechen, seine Worte voller Liebe zur Graphentheorie. Er könnte sagen: „Die Graphentheorie ist wie eine Art mathematischer Zauber, der es uns ermöglicht, die komplexe Welt in Knoten und Kanten zu zerlegen. Stellen Sie sich vor, jeder Knoten ist ein Forschungsobjekt und jede Kante eine logische Beziehung zwischen Forschungsobjekten. Wir können Städte mit Knoten und Straßen mit Kanten vergleichen und ein Verkehrsnetzdiagramm zwischen Städten erstellen.“

Als der Physiker das hörte, leuchteten seine Augen sofort auf. Er könnte dann begeistert sagen: „Das ist großartig! Im optischen Quantencomputing machen wir etwas Ähnliches. Wir nutzen Photonen, Lichtteilchen, um photonische Netzwerke aus Quanteninformationen zu weben. So wie Sie Mathematiker Eckpunkte und Kanten verwenden, um die komplexe Welt zu beschreiben, können wir Photonen und ihre Quanteninterferenzeffekte nutzen, um Netzwerke für das optische Quantencomputing aufzubauen.“

Mathematiker und Physiker sahen sich an und lächelten, als ihnen klar wurde, dass sie zusammenarbeiten könnten, um Wunder zu vollbringen. „Ich kann Ihr Photonennetzwerk in einen Graphen aus der Graphentheorie umwandeln, sodass wir das Verhalten der Photonen mit mathematischen Werkzeugen analysieren und optimieren können“, fügte der Mathematiker hinzu.

Abbildung 3 Schematische Darstellung des städtischen Verkehrsnetzes

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Der Physiker antwortete erfreut: „Ja! Wir können Experimente entwerfen, um Photonen auf bestimmten Pfaden laufen zu lassen, genau wie man in der Graphentheorie den kürzesten Pfad findet. Auf diese Weise können wir eine Photonenstadt bauen und eine völlig neue Lösung für das Photonen-Computing schaffen.“

Daher begannen sie zusammenzuarbeiten, um die Visualisierungsmöglichkeiten der Graphentheorie mit der leistungsstarken Rechenleistung des optischen Quantencomputings zu kombinieren. Sie entwickelten eine Methode zum „beliebig programmierbaren Bose-Sampling-Quantencomputing“, die einem maßgeschneiderten Photonenverkehrsnetz für Photonen gleicht und es ihnen ermöglicht, auf möglichst effiziente Weise durch die Photonenstadt zu reisen.

2. Bose-Sampling-Quantencomputing: ein komplexes Photonenverkehrsnetzwerk

„Boson-Sampling-Quantencomputing“ mag etwas kompliziert klingen, aber es handelt sich tatsächlich um ein Quantencomputing-Modell, das zeigen soll, dass Quantencomputer bei der Lösung bestimmter Probleme erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Computern haben.

Konkret beinhalten Bose-Sampling-Quantenoperationen das Senden mehrerer Photonen (eine Art Boson) in ein lineares optisches Netzwerk, wo diese Photonen Quanteninterferenzen im Netzwerk erzeugen. Um die Ausgangswahrscheinlichkeitsverteilung dieser Photonen im photonischen Netzwerk zu messen, verwenden wir Einzelphotonendetektoren, um die Photonenverteilung am Ausgangsport zu erfassen.

Es ist zu beachten, dass die Ausgabeergebnisse der Bose-Sampling-Quantenoperationen sehr zufällig sind und dass mit zunehmender Anzahl der Photonen die Wahrscheinlichkeitsverteilung der berechneten Ausgabe äußerst komplex wird. Dies macht es äußerst schwierig, den Bose-Sampling-Prozess mit klassischen Computern zu simulieren, und der Schwierigkeitsgrad steigt exponentiell mit der Anzahl der Photonen. Quantencomputer könnten solche Aufgaben dagegen deutlich effizienter bewältigen.

Abbildung 4 Schematische Darstellung des Photonennetzwerks des optischen Quantenchips „Boya Nr. 1“

(Bildquelle: Nature Photonics) Referenzen [1]

Um „beliebig programmierbares Bose-Sampling-Quantencomputing“ intuitiver zu verstehen, können wir es uns als den Aufbau eines winzigen und komplexen Photonenverkehrsnetzwerks vorstellen, ähnlich dem städtischen Verkehrssystem, das jedoch speziell für Photonen entwickelt wurde.

In diesem Photonentransportnetzwerk ist die Lichtquelle wie ein spezieller Busbahnhof. Sie senden Photonen aus wie Autos, und diese Photonenautos können auch Informationen miteinander verbinden. Diese Lichtquellen sind mit einem komplexen Photonenverkehrsnetz verbunden, durch das Photonenautos frei fahren können.

„Beliebig programmierbares Bose-Sampling-Quantencomputing“ ermöglicht es uns, die Fahrroute des Photonenautos entsprechend den Rechenanforderungen beliebig zu planen und so das Photonenverkehrsnetz zu optimieren. Es ist, als würde man in einer Photonenstadt die beste Route von Punkt A nach Punkt B finden. Darüber hinaus können Wissenschaftler bestimmte Eigenschaften dieses Photonen-Verkehrsnetzwerks messen. Dies ist vergleichbar mit der Berechnung, auf wie viele Arten jedes Photonen-Auto in einem komplexen Photonen-Stadtnetzwerk einen Parkplatz finden kann.

Abbildung 5 Schematische Darstellung der Photonen, die durch die Photonenstadt reisen

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Daher wird im optischen Quantencomputerexperiment auf Grundlage der Graphentheorie tatsächlich die Graphentheorie verwendet, um diese photonische Stadt zu entwerfen und zu verstehen. Die Graphentheorie hilft uns, wie eine Verkehrskarte, den Verkehr in Photonenstädten zu verstehen und unterstützt Wissenschaftler auch dabei, das komplexe Verhalten von Photonen in Photonenverkehrsnetzen zu entwerfen und vorherzusagen.

3. Bau einer Photonenstadt auf einem winzigen Chip

Professor Anton Zeilinger, ein österreichischer Wissenschaftler und einer der Gewinner des Nobelpreises für Physik 2022, schlug einen theoretischen Rahmen vor, der Graphentheorie und quantenoptische Systeme eng miteinander verbindet. In diesem Rahmen können Wissenschaftler die Visualisierungseigenschaften der Graphentheorie und mathematische Werkzeuge nutzen, um den Rechenprozess von Lichtquantenexperimenten detailliert zu beschreiben und neue Quantenphänomene zu erforschen.

Abbildung 6 Die Entsprechung zwischen optischem Quantencomputernetzwerk und Graphentheorie

(Bildquelle: Nature Photonics) Referenzen [1]

Um diese Theorie zu überprüfen, bauten ein Forschungsteam unter der Leitung von Wang Jianwei und Professor Gong Qihuang von der Peking-Universität und ihre Mitarbeiter tatsächlich eine Photonenstadt in einem Photonenchip, der nur etwa die Größe eines kleinen Fingernagels hat. In dieser photonischen Stadt gibt es etwa 2.500 optische Präzisionskomponenten, und optische Quantencomputer und Informationsverarbeitung auf Basis der Graphentheorie wurden erfolgreich realisiert.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler die Herausforderungen des Designs, der Herstellung, Steuerung und experimentellen Messung optischer Quantenchips im großen Maßstab bewältigt und Technologien zur Herstellung integrierter optischer Quantenchips im großen Maßstab sowie Methoden zur Quantensteuerung entwickelt. Diese Forschungsergebnisse lassen darauf schließen, dass Wissenschaftler in Zukunft möglicherweise in der Lage sein werden, solche photonischen Städte in Massenproduktion herzustellen und photonische Transportnetzwerke an spezifische Computeranforderungen anzupassen.

Erwähnenswert ist, dass Wissenschaftler im optischen Quantenchip auch einen speziellen Photonenzustand erzeugt haben, der als „hochdimensionaler quantenverschränkter Zustand“ bezeichnet wird . Dies ist vergleichbar mit der Aufrüstung eines gewöhnlichen Photonenautos zu einem Doppeldecker oder einem mehrschichtigen Photonen-Superbus, wodurch die Informationsdimension der Photonen während der Übertragung erheblich erweitert wird. Diese Photonen-Superbusse können außerdem eine Informationsverbindung herstellen, indem sie Quantenverschränkungszustände miteinander teilen.

4. „Boya Nr. 1“ bringt mehr Möglichkeiten für Chips und Quantentechnologie

Wie bereits erwähnt, haben die Wissenschaftler mit dem optischen Quantenchip „Boya Nr. 1“ bemerkenswerte Erfolge erzielt: Sie haben nicht nur erfolgreich hochdimensionale, quantenverschränkte Zustände aus mehreren Photonen erzeugt, sondern ihnen auch eine präzise Steuerung, Messung und Verifizierung ermöglicht. Diese Ergebnisse wurden im Rahmen der einheitlichen Graphentheorie verifiziert und beweisen, dass der optische Quantenchip Graphentheorie-bezogene Quanteninformationsverarbeitungs- und Quantencomputeraufgaben effizient ausführen kann.

Abbildung 7 Künstlerisches Diagramm des Quantenzustands eines Photons

(Fotoquelle: VEER Gallery)

Was bedeutet das?

Es stellt einen wichtigen Schritt hin zu großflächig integrierten optischen Quantencomputerchips auf Basis der Graphentheorie dar. Es demonstriert nicht nur die Fähigkeit, Photonen im mikroskopischen Maßstab präzise zu steuern, sondern beweist auch die Durchführbarkeit groß angelegter integrierter Quantenoptik-Experimente. Diese Errungenschaften sind nicht nur von weitreichender Bedeutung für die wissenschaftliche Forschung, sondern legen auch eine solide Grundlage für die Kommerzialisierung und Massenproduktion der Quantentechnologie.

Verweise

[1] Bao J, Fu Z, Pramanik T, et al. Sehr großflächig integrierte Quantengraphenphotonik[J]. Nature Photonics, 2023, 17(7): 573-581.