A Chip-scale Space-time Multiplexed Gaussian Boson Sampling Processor Beyond 10,000 Photons

Im Wettlauf um den Bau von Maschinen, die Probleme lösen können, die für heutige Supercomputer unmöglich sind, hat sich die Wissenschaft schon lange der Licht zugewandt. Anstatt Elektrizität zu verwenden, um sich wie bei herkömmlichen Computern durch Siliziumchips zu bewegen, nutzen diese neuen Maschinen Ströme von Photonen, oder Lichtteilchen, um Informationen zu tragen. Eine der vielversprechendsten Methoden hierfür wird als Gaußsche Boson-Probenahme (Gaussian Boson Sampling) bezeichnet. Stellen Sie sich ein komplexes Labyrinth vor, in dem Lichtteilchen an einem Ende eintreten und von Spiegeln abprallen sowie durch Pfade aufgeteilt werden, bevor sie am anderen Ende wieder austreten. Da sich Lichtteilchen auf seltsame, quantenmechanische Weise verhalten, können sie viele Pfade gleichzeitig nehmen, was ein Austrittsmuster erzeugt, das unglaublich schwierig vorherzusagen oder zu berechnen ist. Obwohl dies wie ein einfaches Glücksspiel klingt, wächst die schiere Anzahl der möglichen Ergebnisse so schnell an, dass selbst die leistungsstärksten Supercomputer der Welt Jahrtausende bräuchten, um das Ergebnis zu ermitteln. Diese Schwierigkeit ist das, was Forscher als „Quantenvorteil“ bezeichnen – ein Meilenstein, der beweist, dass eine Maschine die Grenzen der klassischen Computertechnik überschritten hat. Das Bauen dieser lichtbasierten Maschinen war jedoch ein Kampf. Frühere Versuche stützten sich auf sperrige Tische voller separater Spiegel und Linsen, die mit extremer Präzision von Hand ausgerichtet werden mussten. Diese Aufbauten waren zerbrechlich, instabil und schwer skalierbar, was es schwierig machte, von einer Labor-Kuriosität zu einem praktischen Werkzeug zu gelangen.

Ein Forschungsteam hat nun diese Hürden überwunden, indem es das gesamte System auf einen einzigen Chip geschrumpft hat und so ein Gerät geschaffen hat, das eine massive Anzahl von Lichtteilchen in einem Bruchteil einer Sekunde verarbeiten kann. Die vorliegende Arbeit, die in einer neuen Studie veröffentlicht wurde, beschreibt das erste System auf Chip-Ebene, das einen cleveren Trick namens Raum-Zeit-Multiplexing nutzt, um Licht sowohl im Raum als auch in der Zeit zu mischen. Anstatt einen riesigen physischen Raum voller Ausrüstung zu benötigen, bauten die Forscher ein Netzwerk aus winzigen Pfaden, Spiegeln und Schaltern direkt auf einer dünnen Scheibe aus Lithiumniobat, einem speziellen Kristall, der für seine Fähigkeit bekannt ist, Licht mit hohen Geschwindigkeiten zu manipulieren. Dieser Chip funget als Fabrik für Licht, in der Pulse durch Schleifen gesendet und über verschiedene Pfade aufgeteilt werden, allesamt gesteuert durch elektrische Signale, die Milliarden Male pro Sekunde an- und ausgeschaltet werden können. Das Ergebnis ist eine Maschine, die nicht nur stabil und kompakt ist, sondern auch in der Lage ist, über zehntausend Lichtteilchen in einer einzigen Millisekunde zu erzeugen und zu detektieren. Diese Größenordnung liegt weit über dem, was bisherige chipbasierte Systeme erreicht haben, und verschiebt die Grenzen dessen, was mit lichtbasierter Computertechnik möglich ist.

Das Forscherteam, unter der Leitung von Wissenschaftlern der Shanghai Jiao Tong University und TuringQ, verbrachte Jahre damit, den Herstellungsprozess zu perfektionieren, um sicherzustellen, dass der Chip makellos ist. Sie bauten eine dedizierte Produktionslinie auf, um diese Geräte auf großen Wafern herzustellen, wobei sie jeden Schritt sorgfältig verfeinerten, um den Verlust von Licht während des Transports durch die winzigen Schaltkreise zu minimieren. Das fertige Gerät arbeitet mit einer Taktfrequenz von 4 Gigahertz, was bedeutet, dass es Daten vier Milliarden Mal pro Sekunde verarbeitet. Um seine Fähigkeiten zu testen, injizierten sie „gequetschtes Licht“ (squeezed light) – einen speziellen Zustand, bei dem die Lichtteilchen so vorbereitet sind, dass ihr Quantenverhalten maximiert wird – in den Chip. Das Licht wanderte dann durch ein komplexes Netzwerk von Interferometern, also Vorrichtungen, die Lichtwellen aufteilen und wieder vereinen, sowie Verzögerungsschleifen, die das Licht für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde zurückhalten. Als das Licht schließlich die Detektoren am Ende erreichte, hatte das System eine massive Anzahl von Detektionsereignissen generiert, wobei die größte einzelne Probe 11.059 Photonen enthielt. Diese Zahl ist signifikant, da sie so groß ist, dass die Simulation des Ergebnisses auf einem klassischen Computer praktisch unmöglich wäre, was bestätigt, dass die Maschine tatsächlich ein Niveau an Komplexität erreicht hat, das traditionellen Berechnungen trotzt.

Um zu beweisen, dass die Maschine wirklich als Quantengerät arbeitete und nicht nur die Ergebnisse mit einem einfacheren, klassischen Trick nachahmte, führte das Team strenge Überprüfungen durch. Sie verglichen die von ihrer Maschine detektierten Lichtmuster mit dem, was die Theorie für ein echtes Quantensystem vorhersagte, sowie mit dem, was passieren würde, wenn das Licht lediglich gewöhnliche Wärme oder ein Standardlaser wäre. Die Ergebnisse stimmten fast perfekt mit den Quantenvorhersagen überein, während die anderen Möglichkeiten eindeutig ausgeschlossen werden konnten. Sie verwendeten zudem statistische Methoden, um zu zeigen, dass die von der Maschine generierten Daten tatsächlich aus dem komplexen Quantenprozess stammten, den sie entworfen hatten, und nicht von einem gefälschten oder vereinfachten Modell. Diese Tests bestätigten, dass das System die korrekten, hochkomplexen Quantenzustände erzeugte, was die ingenieurtechnische Leistung validierte, Hochgeschwindigkeits-Modulatoren, Verzögerungsleitungen und Detektionsnetzwerke auf einem einzigen winzigen Chip zu integrieren.

Über den bloßen Beweis hinaus, dass die Maschine funktioniert, zeigten die Forscher, dass diese Technologie für mehr als nur abstrakte Berechnungen nützlich sein könnte. Sie konfigurierten denselben Chip um, um als „Weltmodell“ zu fungieren – ein Typ von Künstlicher Intelligenz, die lernt, vorherzusagen, wie sich physikalische Systeme im Laufe der Zeit verändern. Sie wählten ein klassisches Physikproblem: die wirbelnden Muster von Luft und Druck, die entstehen, wenn Wind an einem Zylinder vorbeiströmt, bekannt als Kármánsche Wirbelstraße. Der Chip wurde so programmiert, dass er Momentaufnahmen dieses Druckfeldes erstellt, die Geschichte des Flusses mithilfe seiner internen Lichtschleifen speichert und dann vorhersagt, wie das Druckfeld einen Augenblick später aussehen wird. Im Vergleich zu einem Standardcomputerprogramm, das für dieselbe Aufgabe entwickelt wurde, lieferte das lichtbasierte System genauere Vorhersagen und nutzte dabei deutlich weniger einstellbare Parameter, um das Muster zu erlernen. Dies deutet darauf hin, dass die einzigartige Art und Weise, wie Licht auf dem Chip Informationen mischt und speichert, einen leistungsstarken neuen Weg zur Lösung komplexer Probleme in Physik und Technik bieten könnte, wodurch die Technologie von einer Demonstration der Geschwindigkeit zu einem Werkzeug für echte Entdeckungen wird.

Der Erfolg dieses Projekts markiert einen Wendepunkt für das Feld des photonischen Quantencomputings. Jahrelang bestand die Herausforderung darin, Systeme zu bauen, die nicht nur groß genug sind, um einen Quantenvorteil aufzuzeigen, sondern auch stabil und programmierbar genug, um nützlich zu sein. Durch die Integration von allem auf einen einzigen Chip und die Verwendung eines Herstellungsprozesses, der skalierbar ist, haben die Forscher gezeigt, dass diese Maschinen mit der Zuverlässigkeit und Flexibilität gebaut werden können, die für zukünftige Anwendungen erforderlich sind. Die Fähigkeit, Licht mit solch hohen Geschwindigkeiten und Präzision zu steuern, öffnet die Tür zu einer neuen Generation von Geräten, die Probleme in der Materialwissenschaft, der Klimamodellierung und der Künstlichen Intelligenz angehen könnten. Während die Technologie weiter reift, mit Plänen, noch mehr Komponenten wie Lichtquellen und Detektoren direkt auf den Chip zu integrieren, wird die Vision eines vielseitigen, programmierbaren Quantencomputers auf Basis eines einzigen Siliziumstücks zu einer greifbaren Realität.