Photonic Quantum Computing

Klassische Quantencomputer (IBM, Google) nutzen Supraleiter bei -273°C (nahe dem absoluten Nullpunkt). Das ist teuer und empfindlich. Photonische Quantencomputer nutzen Licht (Photonen) als Qubits. Licht hat Vorteile:

Es interagiert nicht mit der Umwelt (lange Kohärenz).
Es braucht keine Kühlung (Room Temperature Qubits!). Der Nachteil: Licht interagiert auch nicht miteinander. (Schwer, Gatter zu bauen). Firmen wie Xanadu und PsiQuantum wetten darauf.

Merksatz: Ein Ansatz für Quantenberechnungen, der Photonen (Lichtteilchen) als Informationsträger nutzt, Manipulationen durch optische Elemente (Spiegel, Strahlteiler) durchführt und Detektoren zum Auslesen verwendet.

Xanadu bietet Zugang über die Cloud (PennyLane Framework). Ihr Chip "Borealis" hat 2022 Quantum Advantage bewiesen (Gaussian Boson Sampling). Man programmiert Interferometer (wie Licht durch Glasfasern fließt).

1. Measurement-Based Quantum Computing (MBQC)

Da man Photonen nicht "anhalten" kann (sie fliegen mit Lichtgeschwindigkeit), kann man keine normalen Schaltkreise bauen. Man nutzt Cluster States. Man erzeugt einen riesigen verschränkten Zustand (Entangled Resource State). Die Berechnung passiert allein durch Messung einzelner Photonen in einer bestimmten Reihenfolge. Das nennt man auch "One-Way Quantum Computing".

2. Squeezed Light

Man nutzt keine einzelnen Photonen (schwer zu erzeugen), sondern "gequetschtes Licht" (Squeezed States). Das sind Zustände, wo die Unsicherheit (Heisenberg) in einer Variable (z. B. Phase) reduziert ist, auf Kosten der anderen (Amplitude). Das erlaubt "Continuous Variable" (CV) Quantum Computing.

1. GKP-Codes: Fehlerkorrektur mit Oszillatoren

In supraleitenden Qubits ist ein Fehler meist ein "Bit Flip" ($|0\rangle \to |1\rangle$). In der Photonik nutzt man oft GKP-Codes (Gottesman-Kitaev-Preskill). Anstatt einzelne Photonen zu zählen, nutzt man die Phasenlage eines Lichtpulses. Ein Qubit wird als Gitter von Zuständen im Phasenraum kodiert. Kleine Verschiebungen (Rauschen) können mathematisch zurück auf das Gitter projiziert werden. Das ist eine extrem effiziente Form der Fehlerkorrektur, die es erlaubt, mit "schmutzigem" Licht (analog) digitale Quanteninformation zu speichern.

2. Dual-Rail Encoding & Nicht-Determinismus

Wie baut man ein Logik-Gatter, wenn Photonen nicht interagieren? Man nutzt Dual-Rail Encoding: Ein Qubit wird durch zwei Glasfassern dargestellt.

Photon in Faser 1 = $|0\rangle$.
Photon in Faser 2 = $|1\rangle$. Ein Gatter besteht dann aus einem Strahlteiler (Beam Splitter). Das Problem: Manchmal "verpasst" man das Photon. Photonische Gatter sind oft nichts-deterministisch (Erfolgsrate < 100%). Um das zu lösen, nutzt man "Entanglement Swapping": Man baut viele Gatter parallel und nutzt nur die Ergebnisse derer, die durch Detektoren als "erfolgreich" markiert wurden (Heralding).

3. Integrated Silicon Photonics

Die Produktion findet heute auf Silizium-Chips statt. In normalen Fabriken (wie Intel sie nutzt) werden winzige Wellenleiter in das Silizium geätzt. Das Licht fließt also nicht durch lose Kabel, sondern durch mikroskopisch kleine Kanäle auf dem Chip. PsiQuantum nutzt dies, um Millionen von Komponenten auf einen Chip zu packen. Da Silizium für Infrarotlicht (Telekom-Wellenlänge) transparent ist, kann man die gesamte bestehende Infrastruktur der Glasfaser-Technologie nutzen, um Quantencomputer zu skalieren. Das ist der Grund, warum viele Experten glauben, dass die Photonik am Ende das Rennen um die "Millionen-Qubit-Maschine" gewinnen wird.