Photonisch-Integrierter Quantencomputer; Akronym: QPIC-1

Abstract

Das Verbundvorhaben QPIC-1 sollte die Grundlagen für einen photonisch integrierten Quantencomputer schaffen. Dabei dienen einzelne Lichtteilchen (Photonen) als Informationsträger. Die Rechenoperationen erfolgen in einem optischen Chip, indem große verschränkte Photonenverbände - sogenannte Clusterzustände - schrittweise vermessen werden. Für eine skalierbare Umsetzung müssen diese Zustände zuverlässig erzeugt, mit sehr geringen Verlusten in den Chip eingekoppelt, kontrolliert miteinander überlagert und anschließend ausgelesen werden. Das unter dem Förderkennzeichen 13N15858 bearbeitete Teilvorhaben konzentrierte sich auf Quantenlichtquellen aus Farbzentren in Diamant, insbesondere auf Zinn-Fehlstellen-Zentren (SnV). Diese atomähnlichen Defekte können einzelne Photonen aussenden und besitzen einen steuerbaren Quantenzustand. Zu Projektbeginn waren vielversprechende Einzelbausteine vorhanden, jedoch noch keine durchgängige und ausreichend robuste Lösung. Offene Fragen betrafen die reproduzierbare Herstellung der Farbzentren, ihre kohärente Kontrolle, die Einbindung in winzige optische Resonatoren sowie verlustarme Übergänge zwischen Diamant, Glasfasern und dem photonischen Prozessor. Die ursprüngliche Aufgabenstellung umfasste daher vier eng verknüpfte Bereiche: effiziente Faser- und Wellenleiterschnittstellen, Herstellung und Kontrolle der Diamant-Farbzentren, Entwicklung ein- und zweidimensionaler photonischer Clusterzustände sowie die Einbindung dieser Bausteine in einen gemeinsamen Demonstrator. Experiment, numerische Modellierung und theoretische Protokollentwicklung wurden von Beginn an als zusammenhängende Entwicklungskette betrachtet.