Ein neuartiger Quantencomputer, der sich dank eines speziellen Aufbaus leicht erweitern lässt, soll künftig bei der Bewältigung wissenschaftlicher Herausforderungen helfen – von der Arzneimittelforschung bis zum energieeffizienten maschinellen Lernen.

Das System namens Aurora ist ein „photonischer“ Quantencomputer, er rechnet also mit photonischen Qubits – Informationen, die in Licht kodiert sind. In der Praxis bedeutet dies, dass Laserstrahlen auf mehreren Chips mithilfe von Linsen, Glasfasern und anderen optischen Hilfsmitteln nach einem spezifischen Algorithmus kombiniert und rekombiniert werden. Der Xanadu-Computer ist so konzipiert, dass die Antwort auf einen von ihm ausgeführten Algorithmus der endgültigen Anzahl der Photonen in jedem Laserstrahl entspricht. Dieser Ansatz unterscheidet sich von den von Google und IBM verwendeten Systemen, bei denen Informationen in den Eigenschaften supraleitender Schaltkreise kodiert sind.

Aurora ist modular aufgebaut und besteht aus vier ähnlich aussehenden Einheiten, die jeweils in einem Standard-Serverschrank untergebracht sind, der etwas größer und breiter ausfällt als eine durchschnittliche Person. Um einen brauchbaren Quantencomputer zu bauen, „macht man praktisch ‚Copy-and-Paste‘ Tausender dieser Dinger und vernetzt sie miteinander“, erläutert Christian Weedbrook, CEO und Gründer des Unternehmens. Letztendlich stellt sich Xanadu einen vollständigen Quantencomputer als ein spezialisiertes Rechenzentrum vor, das aus mehreren Reihen dieser Server besteht. Dies steht im Gegensatz zu den früheren Vorstellungen der Industrie von einem spezialisierten Chip innerhalb eines Supercomputers, der einem regulären Grafikprozessor ähnelt.

Die Pläne von Xanadu, die das Unternehmen kürzlich im Fachjournal Nature veröffentlicht hat, sind nur ein erster Schritt in Richtung dieser Vision. Aurora verwendete laut seines Papers 35 Chips, um insgesamt zwölf Quantenbits oder Qubits zu konstruieren. Für alle bisher vorgeschlagenen sinnvollen Anwendungen der Quanteninformatik werden mindestens Tausende von Qubits, möglicherweise sogar eine Million davon, benötigt. Zum Vergleich: Googles Quantencomputer Willow, der letztes Jahr vorgestellt wurde, hat 105 Qubits (alle auf einem einzigen Chip), IBMs Condor sogar 1.121.

Devesh Tiwari, Quantencomputer-Forscher an der Northeastern University, beschreibt die Fortschritte von Xanadu mit der Analogie eines Hotelbaus: „Sie haben bereits ein Zimmer gebaut und ich bin mir sicher, dass sie auch mehrere Zimmer bauen können“, sagt er. „Aber ich bin mir noch nicht so sicher, ob sie das Hotel Stockwerk für Stockwerk hochziehen können.“ Dennoch sei die Xanadu-Arbeit „sehr vielversprechend“.

Die zwölf Qubits von Aurora mögen im Vergleich zu den 1.121 Qubits von IBM wie eine lächerliche Zahl erscheinen, aber Tiwari meint, dass das nicht bedeutet, dass Quantencomputer, die auf Photonik basieren, wirklich im Rückstand sind. Seiner Meinung nach spiegelt die Anzahl der Qubits eher die Höhe der Investitionen wider als Möglichkeiten der Technologie.

Photonische Quantencomputer bieten mehrere Designvorteile. Die Qubits reagieren weniger empfindlich auf Umgebungsrauschen, sagt Tiwari, was es leichter macht, sie dazu zu bringen, Informationen ausreichend lang zu speichern. Außerdem ist es relativ einfach, photonische Quantencomputer über herkömmliche Glasfasern miteinander zu verbinden, da sie bereits Licht zur Informationskodierung verwenden. Die Vernetzung von Quantencomputern ist der Schlüssel zur Industrievision eines „Quanteninternet“, in dem verschiedene Quantengeräte miteinander agieren. Die Server von Aurora müssen auch nicht so stark gekühlt werden wie supraleitende Quantencomputer, sagt Weedbrook, sodass man nicht so viel Kältetechnik benötigt. Die Serverracks arbeiten bei Raumtemperatur, wobei die Detektoren, die die Photonen zählen, in einem anderen Raum kryogenisch gekühlt werden müssen.

Xanadu ist nicht das einzige Unternehmen, das sich mit photonischen Quantencomputern befasst. Andere Unternehmen sind Psiquantum in den USA und Quandela in Frankreich. Weitere Forschergruppen verwenden Materialien wie in Laserfallen gefangene, neutrale Atome und Ionen, um ihre Quantensysteme zu konstruieren.

Aus technischer Sicht, so vermutet Tiwari, wird es nie einen einzigen Qubit-Typ geben, der sich als Sieger bezeichnen lässt. Aber es ist wahrscheinlich, dass bestimmte Qubits für spezielle Anwendungen besser geeignet sind. Photonische Quantencomputer lassen sich zum Beispiel besonders gut für das Gaußsche Bosonen-Sampling einsetzen, ein Algorithmus, der für die schnelle Lösung von Graphenproblemen nützlich sein könnte. „Ich möchte wirklich, dass sich mehr Leute mit photonischen Quantencomputern beschäftigen“, sagt er. Der Experte hat Quantencomputer mit mehreren Qubit-Typen untersucht, darunter Photonen und supraleitende Qubits, und ist nicht an ein Unternehmen gebunden.

Isaac Kim, Physiker an der University of California, Davis, weist darauf hin, dass Xanadu noch nicht die Fähigkeit zur Fehlerkorrektur demonstriert hat, die nach Ansicht vieler Experten für einen Quantencomputer erforderlich ist. Erst dann funktionieren zentrale Aufgaben, da die in einem Quantencomputer gespeicherten Informationen bekanntermaßen anfällig sind.

Xanadu-Chef Weedbrook sagt jedoch, dass das nächste Ziel der Firma darin besteht, die Qualität der Photonen im Computer zu verbessern, was die Anforderungen an die Fehlerkorrektur verringern wird. „Wenn man Laser durch ein Medium schickt, egal ob es sich um einen leeren Raum, Chips oder Glasfasern handelt, schafft es nicht die gesamte Information vom Anfang bis zum Ende“, sagt er. „Man verliert also Licht und damit auch Informationen.“

Das Unternehmen arbeitet daran, diese Verluste zu verringern, was von vornherein weniger Fehler bedeute. Xanadu will im Jahr 2029 ein Quanten-Rechenzentrum mit Tausenden von Servern bauen, die eine Million Qubits enthalten.