Neue Metasurface erzeugt skalierbare Quantenlichtquelle

Quantenlicht lösen

Quantencomputing birgt viele Versprechen, von der Lösung sonst unmöglich zu berechnender Berechnungen, möglicherweise sogar dem Brechen aller bestehenden Verschlüsselungsformen, bis hin zur Schaffung ultraeffizienter Computer aus Sicht des Energieverbrauchs.

Wenn Quantencomputer leistungsfähig genug würden, könnten sie die Medizin durch die sofortige Berechnung von 3‑D‑Proteinstrukturen, die Materialwissenschaften, die Klimamodellierung oder sogar das Training von KIs vollständig revolutionieren.

Wahrscheinlich wird die Kommunikation zwischen Quantenchips und Quantencomputern über das Elementarteilchen des Lichts, die Photonen, erfolgen.

Genauer gesagt verschränkte Photonen, die über Quanten‑Effekte miteinander interagieren, selbst wenn sie getrennt sind. Besonders, da inzwischen bewiesen ist, dass wir normale optische Fasern nutzen können, um Quantendaten über mindestens mehrere Dutzend Kilometer zu übertragen.

Allerdings war die Erzeugung von verschränkten Photonen eine enorme Herausforderung und behindert die Möglichkeit, Quantencomputer auf eine Größe, Zuverlässigkeit und Kostenniveau zu skalieren, bei dem sie nützlich sind.

Umgehungslösungen werden entwickelt, zum Beispiel die Erzeugung einzelner Photonen aus einer unvollkommenen Photonquelle, mittels nichtlinearer Optik und Einzelphoton‑Teleportation. Die Steigerung der Effizienz von Lichtquellen mittels Erbium ist eine weitere potenzielle Option.

Letztendlich könnten jedoch viele dieser Lösungen zu komplex sein, um das Problem zu lösen, weshalb ein neu entwickeltes Metamaterial die Zukunft von Quantencomputern verändern könnte. Diese nanoskalige Komponente, die skalierbare, niederdekoherente Quanteninformationen in Licht umwandeln kann, wurde von Forschern der Harvard University entwickelt und in der renommierten Fachzeitschrift Science¹ unter dem Titel „Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference“ veröffentlicht.

Quantenlichtquellen

Um Daten zwischen den Unterkomponenten eines Quantencomputers und zwischen verschiedenen Quantencomputern zu übertragen, müssen die Quantendaten erhalten bleiben. Dies wird normalerweise durch die Erzeugung verschränkter Teilchen, insbesondere Photonen, erreicht.

Diese verschränkten Teilchen replizieren den Zustand des jeweils anderen, selbst wenn sie über große Entfernungen getrennt sind.

Bisher haben Forscher im Quantencomputing hauptsächlich „traditionelle“ Methoden zur Erzeugung verschränkter Photonen verwendet. Dies geschieht entweder durch das Leiten der Photonen durch Wellenleiter auf erweiterten Mikrochips oder durch sperrige Geräte, die aus Linsen, Spiegeln und Strahlteilern aufgebaut sind.

Das Problem ist, dass diese Systeme zu groß, zu komplex und schwer in ausreichender Menge herzustellen sind, damit die Methode auf die für ein Quanten‑Netzwerk erforderlichen Zahlen skaliert werden kann.

Ein weiteres Problem ist die „Dekohärenz“. Die mathematische Komplexität steigt, sobald die Anzahl der Photonen und damit die Anzahl der Qubits zunimmt.

Jedes zusätzliche Photon erzeugt zahlreiche neue Interferenzwege, die in einer herkömmlichen Anordnung eine schnell wachsende Anzahl von Strahlteilern und Ausgangsports erfordern würden.

Quanten‑Metasurface

Metamaterialien

Metamaterialien verändern die Struktur eines Materials und verleihen ihm andere Eigenschaften als die der Grundmaterialien, aus denen es besteht.

Dies wird meist erreicht, indem wiederholende Muster mit präziser Form, Geometrie, Größe, Orientierung usw. im Nanomaßstab erzeugt werden.

Die kontrollierte Herstellung regelmäßiger Mikrostrukturen kann zu einer verbesserten Leistung eines Materials im Vergleich zu seiner Grundkomponente führen. Dies kann durch viele verschiedene Eigenschaften beeinflusst werden, wie elektromagnetisch, akustisch, strukturelle Festigkeit, thermisch usw.

Quelle: Science

Dies ist das, was die Harvard‑Forscher geschaffen haben, mit einer neuen Art von Metasurfaces, flachen Geräten, die mit nanoskaligen lichtmanipulierenden Mustern geätzt sind.

„Wir führen einen bedeutenden technologischen Vorteil ein, wenn es um die Lösung des Skalierbarkeitsproblems geht.

Jetzt können wir ein komplettes optisches Setup in eine einzige Metasurface miniaturisieren, die sehr stabil und robust ist.“

Kerolos M.A. Yousef – Doktorand an der Harvard University

Wie die Metasurface skalierbares Quantenlicht ermöglicht

Die mathematische Komplexität vieler Photonen, die für komplexe Quantenberechnungen erforderlich sind, kann mit einem Teilgebiet der Mathematik, der Graphentheorie, bewältigt werden. Einfach erklärt verwendet sie Punkte und Linien, um Verbindungen und Beziehungen darzustellen.

Quelle: Science

Obwohl die Graphentheorie in bestimmten Arten des Quantencomputings und der Quantenfehlerkorrektur eingesetzt wird, wurde sie bislang im Kontext von Metasurfaces, insbesondere bei deren Design und Betrieb, nicht verwendet.

Die Graphentheorie ermöglichte es den Forschern, visuell zu bestimmen, wie Photonen miteinander interferieren, und ihre Effekte in Experimenten vorherzusagen.

Neues Photon‑Verschränkungsgerät

Mithilfe der Graphentheorie und kommerzieller Halbleiterfertigungstechniken haben die Forscher „kompakte Multiport‑Interferometer“ entwickelt.

Sie nutzten die Graphentheorie, um sowohl das physikalische Design als auch die erzeugten Quantenkorrelationen in die Nanostruktur der Interferometer zu kodieren.

„Es bietet zudem neue Einblicke in das Verständnis, Design und die Anwendung von Metasurfaces, besonders für die Erzeugung und Kontrolle von Quantenlicht. Mit dem Graph‑Ansatz werden Design der Metasurface und der optische Quantenzustand gewissermaßen zu zwei Seiten derselben Medaille.“

Neal Sinclair – Forscher an der Harvard University

Anschließend testeten sie die Leistung, indem sie supraleitende Nanodraht‑Detektoren zur Messung des Photonverhaltens einsetzten.

Es zeigte sich, dass dieser Ansatz viele Vorteile bietet:

• Das Design erfordert keine komplizierten Ausrichtungen, wodurch die Herstellung und Einrichtung wesentlich einfacher wird.
• Es ist sehr widerstandsfähig gegenüber Störungen und weist geringe optische Verluste auf.
• Es ist einfach herzustellen, wodurch es skalierbarer und kostengünstiger wird.

Diese Arbeit konzentrierte sich hauptsächlich auf die möglichen Anwendungen im Quantencomputing.

„Es könnte jedoch auch für Quantensensorik nützlich sein oder „Lab‑on‑a‑Chip“-Fähigkeiten für grundlegende wissenschaftliche Forschung bieten.“

„Ich bin begeistert von diesem Ansatz, weil er optische Quantencomputer und -netze effizient skalieren könnte – was seit langem ihre größte Herausforderung im Vergleich zu anderen Plattformen wie Supraleitern oder Atomen darstellt,“

Neal Sinclair – Forscher an der Harvard University

Investieren in Quantencomputing

Honeywell / Quantinuum

Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum.

Honeywell bleibt Mehrheitsaktionär des Unternehmens (wahrscheinlich 52 % Eigentum) nach einer Finanzierungsrunde, die das Unternehmen mit 5 Mrd. $ bewertet. Gründer Ilyas Khan soll etwa 20 % des Unternehmens besitzen. Weitere Aktionäre sind JSR Corporation, Mitsui, Amgen (AMGN ), IBM und JP Morgan.

Ein potenzieller Börsengang von Quantinuum in der Zukunft, möglicherweise im Rahmen einer größeren Unternehmensumstrukturierung, wird auf bis zu 20 Mrd. $ geschätzt und könnte zwischen 2026 und 2027 stattfinden.

Quantencomputing ist nicht der zentrale Teil von Honeywells Geschäft; es konzentriert sich stärker auf Produkte in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt, Automatisierung sowie Spezialchemikalien und -materialien.

Jeder dieser Bereiche könnte jedoch von Quantencomputing profitieren, insbesondere Computational Chemistry und Quanten‑Cybersicherheit, was Honeywell einen Vorteil gegenüber seinen Wettbewerbern verschaffen könnte.

Das aktuelle Hauptmodell des Unternehmens ist der H2, ein trapped‑ion‑Chip mit 56 Qubits und einer Zwei‑Qubit‑Gatter‑Fidelity von 99,895 %.

Die nächsten drei Generationen, die bis zu über 1000 Qubits reichen, sind bereits geplant, wobei die nächsten Veröffentlichungen für 2025, 2027 und 2029 vorgesehen sind.

Quelle: Quantinuum

Die neueste Version, genannt Apollo, wäre der Durchbruch, der unzählige kommerzielle Anwendungen mit Quantencomputing ermöglichen würde.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir durch eine Kombination aus Fortschritten bei der Hardware‑Bereitschaft und der Quanten‑Fehlerkorrektur bis zum Ende des Jahrzehnts einen klaren Blick auf Apollo haben, eine vollständig fehlertolerante, quantenvorteilhafte Maschine. Dies wird ein kommerzieller Wendepunkt sein: Es läutet eine Ära wissenschaftlicher Entdeckungen in Physik, Materialien, Chemie und mehr ein.

Das Unternehmen hat hochqualitatives Computing mit sehr wenigen Fehlern verfolgt, anstatt möglichst viele fehleranfällige Qubits hinzuzufügen, und damit ein sogenanntes „fehlertolerantes Quantencomputing“ geschaffen.

Dieser Ansatz wird vom Unternehmen als „Bessere Qubits, bessere Ergebnisse“ bezeichnet, wobei eine ähnliche Anzahl von Qubits 100‑ bis 1.000‑fach zuverlässigere Resultate erzielt.

Quelle: Quantinuum

Dies könnte insbesondere bei dringend benötigter quantenresistenter Kryptografie einen Unterschied machen, da das Verteidigungsunternehmen Thales (HO.PA -0.96%) bereits mit Quantinuum zusammenarbeitet sowie die internationalen Banken HSBC und JP Morgan.

Quantinuum bietet zudem seine proprietäre Quanten‑Computational‑Chemistry‑Lösung InQuanto an, die für Pharmazeutika, Materialwissenschaften, Chemikalien, Energie und Luft‑ und Raumfahrtanwendungen nutzbar ist.

Wie viele andere Quantencomputing‑Unternehmen bietet Quantinuum Helios an, ein „Hardware‑as‑a‑Service“, das Nutzern ermöglicht, von Quantencomputing zu profitieren, ohne die Komplexität des Systembetriebs selbst bewältigen zu müssen.

Quantinuum unterzeichnete im November 2024 eine Partnerschaft mit dem deutschen Infineon, Europas größtem Halbleiterhersteller. Infineon wird seine integrierte Photoniks‑ und Steuer‑Elektronik‑Technologie einbringen, um die nächste Generation von trapped‑ion‑Quantencomputern zu schaffen.

Da integrierte Photoniks näher an praktischen Anwendungsfällen kommen, wird jetzt deutlich, wie wichtig diese Partnerschaft für die Zukunft von Quantinuum sein könnte. An diesem Punkt scheint der nächste Schritt des Unternehmens die Veröffentlichung des weltweit ersten KI‑fokussierten Photoniks‑Quanten‑Chips zu sein.

In den kommenden Monaten wird Quantinuum Ergebnisse aus laufenden Kooperationen teilen und das bahnbrechende Potenzial quantengetriebener Fortschritte im Bereich Generative KI demonstrieren.

Die innovative Gen‑QAI‑Fähigkeit wird die Nutzung von Metall‑Organischen Gerüsten für die Medikamentenabgabe verbessern und beschleunigen, wodurch effizientere und personalisierte Behandlungsmöglichkeiten geschaffen werden, deren Details bei der Einführung von Helios enthüllt werden.

Quantinuum kündigt Durchbruch in generativer Quanten‑KI mit massivem kommerziellem Potenzial an

Die Ankündigung in dieser Veröffentlichung ist Teil einer Reihe von Nachrichten, die den schnellen Fortschritt der Verbindung von KI und Quantencomputing bei Quantinuum betreffen.

Weitere laufende Anwendungsfälle könnten den zukünftigen Wert des Unternehmens stark steigern und damit Honeywells Anteil daran sowie den potenziellen Gewinn, den Investoren daraus erzielen könnten, erhöhen.

(Sie können auch unseren vollständigen Bericht über Honeywells Kerngeschäft in Sensoren, Luft‑ und Raumfahrtteilen und fortschrittlichen Materialien sowie dessen Beteiligung an Quantinuum lesen)

Neueste Honeywell (HON) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert

^{1. Kerolos M. A. Yousef, Marco D’Alessandro, Matthew Yeh, Neil Sinclair, Marko Loncar, and Federico Capasso. Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference. Science. 24 Jul 2025. Vol 389, Issue 6758 pp. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}