Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rechnen mit Licht

13.05.2013
Physiker der Universitäten Jena und Wien präsentieren im Fachmagazin "Nature Photonics" einen optischen Quanten-Computer-Chip

Rund 700 Millionen Transistoren stecken heute in jedem gängigen Computer-Prozessor. Ihre immer größere und schnellere Rechenleistung verdanken moderne PCs der immer größeren Zahl winziger Schaltkreise, die unter ihrem Gehäuse verbaut sind.

Doch die Miniaturisierung in der IT-Branche hat ihre Grenzen längst erreicht: "Kleinere Transistoren sind praktisch nicht möglich; insofern ist auch die Zahl, die in einem Computer Platz findet, inzwischen begrenzt", weiß Prof. Dr. Alexander Szameit von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Um die Rechnerleistung künftig noch weiter zu verbessern, brauche es daher völlig neue Konzepte, so der Juniorprofessor für Diamant-/Kohlenstoffbasierte optische Systeme.

Ein Konzept, in das nicht nur der Physiker Szameit und seine Kollegen große Hoffnungen setzen, sind Quanten-Computer. Doch deren Entwicklung steckt noch in den Kinderschuhen: Erste einfache Prototypen sind raumfüllende Ungetüme. Gemeinsam mit Fachkollegen um Prof. Dr. Philip Walther aus Wien haben Prof. Szameit und sein Mitarbeiter René Heilmann jetzt jedoch einen optischen Schaltkreis entwickelt, der auf einem handtellergroßen Glas-Chip Platz findet und der es ermöglicht, mittels sogenannter verschränkter Photonen Informationen zu verarbeiten. Diesen optischen Quanten-Computer-Chip stellen die Physiker in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins "Nature Photonics" vor (DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.102).

"Wir nutzen Photonen - also Lichtteilchen - zur Informationsverarbeitung", erläutert Heilmann, der als Doktorand in der Gruppe von Prof. Szameit arbeitet. Bei diesem "Bosonen-Sampling" genannten Verfahren werden Photonen durch ein System von Wellenleitern geschickt, die in den Glas-Chip graviert sind und anschließend detektiert. Der Kniff dieser zunächst wenig spektakulär klingenden Versuchsanordnung steckt im Detail: Die eingesetzten Photonen sind miteinander verschränkt - so nennen Physiker zwei oder mehrere Quantenteilchen, deren Eigenschaften sich gegenseitig bedingen. "Verschränkte Photonen gehen aus ein und demselben Ursprungsphoton hervor und unterscheiden sich zum Beispiel nur in ihrer Polarisationsrichtung." Ändert sich die Polarisation des einen Photons, wird damit zugleich die Polarisation des anderen festgelegt. Diese von Albert Einstein einst "spukhafte Fernwirkung" genannte Verschränkung ist die grundlegende Eigenschaft von Teilchen, um sie in Quanten-Computern als Informationsträger nutzen zu können.

Während konventionelle Transistoren lediglich mit zwei Zuständen der Informationsträger arbeiten - mit "an" und "aus" bzw. "0" und "1" - können diese in Quanten-Computern viel mehr unterschiedliche Zustände einnehmen, was die Rechenleistung und damit die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung um ein Vielfaches erhöht. "Das, wozu ein üblicher Computer mehrere Millionen Transistoren benötigt, kann ein Quanten-Computer mit vielleicht 10 Photonen schaffen", verdeutlicht Szameit. So können sich auch sehr komplexe Probleme lösen lassen, die konventionelle Rechner nur mit extrem großem Zeitaufwand bewältigen.

Im vorliegenden Fall haben die Forscher verschränkte Photonen durch optische Schaltkreise geschickt und aus der statistischen Verteilung der Lichtteilchen dessen innere Struktur berechnet. "Ein konventioneller Computer hätte dazu eine nahezu unendlich lange Zeit gebraucht", sagt Szameit. Da sich die Forscher aber die Quanteneigenschaften der verschränkten Photonen zunutze gemacht haben, konnten sie mehr Informationen extrahieren als es auf dem klassischen Weg möglich gewesen wäre. Damit haben die Physiker aus Jena und Wien den Beweis geliefert, dass es möglich ist, mit Licht zu rechnen - auch wenn der Weg zum ersten optischen Quanten-Computer noch weit sein dürfte.

Original-Publikation:
Tillmann M et al. Experimental Boson Sampling, Nature Photonics 2013, advanced online publication (DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.102).

Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Szameit
Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Albert-Einstein-Straße 15, 07745 Jena
Tel.: 03641 / 947985
E-Mail: alexander.szameit[at]uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-jena.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Nährstoffhaushalt einer neuentdeckten “Todeszone” im Indischen Ozean auf der Kippe

06.12.2016 | Geowissenschaften

Entschlüsselung von Kommunikationswegen zwischen Tumor- und Immunzellen beim Eierstockkrebs

06.12.2016 | Medizin Gesundheit

Bioabbaubare Polymer-Beschichtung für Implantate

06.12.2016 | Materialwissenschaften