Ein an der Universität Twente entwickelter Quantenprozessor, der mit Photonen arbeitet, wird zu einem immer stärkeren „Werkzeugkasten“ für die Durchführung von Experimenten. Die neueste Version hat nicht nur mehr Ein- und Ausgänge, sie kann auch von einer Photonenquelle gespeist werden, die in der Lage ist, identische Photonen zu erzeugen. Physikalische Experimente, manchmal kontraintuitive, sind jetzt möglich. Kann ein System beispielsweise gleichzeitig quantenmechanisches und thermodynamisches Verhalten zeigen?
Will man Quantenrechnungen mit Licht durchführen, fängt alles bei der Quelle an. Die Photonen, die Sie verwenden möchten, müssen möglichst identisch sein. Sind sie nicht identisch, ist die Untersuchung typischer Quanteneigenschaften wie Verschränkung und Überlagerung nicht möglich. Hat zum Beispiel ein Photon eine etwas andere Farbe als das andere, besteht die Gefahr, dass Quanteneigenschaften nicht zum Vorschein kommen und Berechnungen nicht möglich sind. In seiner Diplomarbeit stellt Reinier Van der Meer eine Drei-Photonen-Quelle auf Basis von Titanylphosphat (KTP) vor, die in ihrer aktuellen Version auf 11 sehr identische Photonen aufgerüstet werden kann.
Der nächste Schritt, an dem Van der Meer seine Experimente durchführte, ist ein System mit 12 Eingängen und 12 Ausgängen. Dazwischen befindet sich ein System lichtleitender Kanäle aus Siliziumnitrid, das für seine extrem geringen Verluste bekannt ist. Der erste Prozessor dieser Art hatte 8 Eingänge und 8 Ausgänge, und tatsächlich war es Zufall, dass der photonische Schaltkreis für Quantenexperimente verwendet werden konnte.
Die Photonen bewegen sich durch die Kanäle mit vielen Kanalteilern. Diese ‚Schalter‘ können von außen, durch lokale Heizung, angesteuert werden. Auf diese Weise kann ein Photon nach dem typischen Quantenphänomen der Überlagerung von einer Mode zur anderen, aber auch irgendwo dazwischen geschickt werden. Der Vorteil dieses Prozessors besteht darin, dass er wie die Photonen bei Raumtemperatur arbeitet. Der Vorteil besteht darin, dass die Photonen-„Quantenbits“ robuster und weniger verrauscht sind als supraleitende Qubits. Messungen an den 12 Ausgängen zeigen, was unterwegs in allen Kanälen passiert ist.
Dank der besseren Photonenquelle und des größeren Prozessors konnte Van der Meer einige Experimente durchführen. Einer davon betrifft die Aufbewahrung von Informationen. Die Quantenmechanik ist eine Theorie, die in Bezug auf Informationen gleich bleibt: Im Laufe der Zeit werden zwei Systeme nicht ähnlicher aussehen. Die Thermodynamik ist jedoch eine Theorie, die Informationen verliert: Zwei Systeme werden sich mit der Zeit immer ähnlicher sehen. Quantenmechanik und Thermodynamik können nicht gleichzeitig wahr sein, würde man sagen. Dennoch kann ein System, das als Ganzes quantenmechanisches Verhalten zeigt, thermodynamische Subsysteme haben. Es muss also einen Weg geben, wie Informationen innerhalb des größeren Systems entweichen können.
Mehr Informationen:
Reinier van der Meer (Gouda, 1993) hat am 24. Februar 2022 seine Doktorarbeit „Quantum information processing in large-scale photonic networks“ verteidigt.