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Quantencomputer: Künstliche Intelligenz erkennt Muster im Quantenrauschen
Licht als Rechenträger: Photonen könnten Quantencomputer schneller und mit geringerem Kühlaufwand arbeiten lassen. Doch schwankende Eigenschaften einzelner Lichtquellen erschweren das Zusammenspiel vieler Qubits. Eine Studie zeigt jetzt, dass sich ein Teil dieser Störungen aus früheren Messungen vorhersagen lässt. Das könnte eine vorausschauende Stabilisierung ermöglichen, die bislang allerdings noch nicht praktisch umgesetzt wurde.
West Lafayette (U.S.A.). Lichtteilchen können Quanteninformation über optische Leitungen transportieren und bieten damit eine Grundlage für kompakte photonische Quantenchips. Anders als viele andere Qubit-Systeme müssen die Photonen selbst nicht auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Das bedeutet jedoch noch nicht, dass sich daraus schon ein leistungsfähiger Quantencomputer bauen lässt.
Ein Problem ist die verlässliche Erzeugung einzelner Photonen, ein anderes ihre gezielte Steuerung in Schaltungen. Hinzu kommt, dass kleine Veränderungen der Umgebung ihre Frequenz verschieben und dadurch die für Quantenoperationen wichtige Ununterscheidbarkeit beeinträchtigen können. Genau an diesen drei Hürden setzen mehrere Forschungsarbeiten an, die nun gemeinsam vorgestellt wurden.
Forscher der Purdue University um Prof. Alexander V. Kildishev haben untersucht, ob scheinbar zufällige Schwankungen von Lichtquellen doch einem zeitlichen Muster folgen. Ihr Experiment galt Einzelphotonen-Emittern aus Siliziumnitrid, deren Lichtfrequenz aufgrund lokaler Störungen schwankt. Diese sogenannte spektrale Diffusion macht die erzeugten Photonen weniger gleichartig und erschwert ihr Zusammenspiel.
Das Team analysierte zeitliche Reihen von Spektralmessungen bei rund vier Kelvin und fand Korrelationen, die über einzelne Messpunkte hinaus bestehen. Anschließend trainierte es ein neuronales Netzwerk, das künftige Frequenzverschiebungen anhand der bisherigen Entwicklung prognostizierte. Damit zeigte sich ein Weg, bestimmte Störungen bereits vor ihrem Eintreten abzuschätzen.
„Durch die Analyse des zeitlichen Verlaufs eines Quantensystems können wir Muster in seiner Umgebung erkennen und nutzen, um Instabilitäten vorherzusagen“, erklärt Pranshu Maan von der Purdue University.
Aus der Vorhersage leitete die Studie mögliche Verbesserungen für eine künftig gesteuerte Lichtquelle ab. Für die untersuchten Emitter ergaben die Rechnungen eine mögliche Verringerung der spektralen Verschiebungen um Faktoren von im Mittel etwa 2 bis 19, je nach Stabilität der Quelle. Diese Zahlen beschreiben eine hypothetisch umgesetzte Regelung, nicht die bereits erreichte Unterdrückung von Störungen auf einem laufenden Quantenchip.
Die tatsächliche Gegensteuerung durch elektrische Felder oder mechanische Veränderungen wurde im Experiment noch nicht realisiert. Auch die Übertragbarkeit auf andere Quantenplattformen bleibt zu prüfen, obwohl das Verfahren dafür ausgelegt wurde. Entscheidend ist deshalb die Unterscheidung zwischen erfolgreicher Vorhersage und noch ausstehender physikalischer Stabilisierung.
Für photonenbasierte Rechner braucht es außerdem Lichtquellen, die möglichst zuverlässig einzelne Photonen abgeben. Bereits 2021 wurden in Siliziumnitrid-Filmen Defektstellen nachgewiesen, die bei Raumtemperatur Licht mit eindeutig quantenmechanischen Einzelphotonen-Eigenschaften emittierten. Bei Messungen an 130 Quellen lag das Korrelationsmaß g²(0), das die gleichzeitige Abgabe mehrerer Photonen anzeigt, im Mittel bei etwa 0,2 und damit deutlich unter dem Grenzwert von 0,5 für Einzelphotonenlicht.
Das Material lässt sich mit etablierten optischen Chipstrukturen kombinieren. Dadurch könnten zusätzliche Materialübergänge und die damit verbundenen Verluste an Lichtteilchen entfallen. Ein Konferenzbeitrag von 2022 beschrieb außerdem nanostrukturierte Säulen, mit denen sich solche Emissionsstellen gezielter erzeugen ließen, allerdings mit einer Ausbeute von ungefähr 50 Prozent.