Die präzise Simulation von Licht in komplexen Quantenumgebungen ist eine der größten Herausforderungen moderner Physik – und bildet die Grundlage für Innovationen in der Photonik, Quantenkommunikation und Quantencomputing. Mit dem Open-Source-Tool Phoenix positioniert sich die Universität Paderborn international als Impulsgeber. Was steckt hinter der Software, und inwiefern verändert sie die Forschung und Infrastruktur in der Quanteninformatik grundlegend?
Ein Durchbruch aus Ostwestfalen: Was ist Phoenix?
Phoenix ist ein Open-Source-Simulations-Tool zur Modellierung von Lichtverhalten in komplexen Quantensystemen. Entwickelt wurde es am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn, unter der Leitung der Physikerin Prof. Dr. Christine Silberhorn. Das Tool ermöglicht quantenoptische Wechselwirkungen auf der Basis realer experimenteller Bedingungen mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Rechenstärke zu simulieren – eine Fähigkeit, die Forschungseinrichtungen und Industriepartner gleichermaßen benötigen.
Konkret basiert Phoenix auf sogenannten Tensor-Netzwerkmethoden, um die Dynamik quantenoptischer Konfigurationen effizient und skalierbar berechnen zu können. Es unterstützt mehrere Modulationsformen, Wellenlängen, räumliche Geometrien und kann realitätsnahe Materialsysteme mit Einflüssen wie Rauschen oder zeitabhängigen Störungen einbeziehen.
Herausforderungen in der Simulation von Quantensystemen
Optische Quantensysteme – insbesondere photonische Chips und Lichtquellen mit mehreren Photonenpaaren – verhalten sich in der Regel nichtlinear, hochdimensional und nicht analytisch lösbar. Klassische Simulationsmethoden stoßen hier schnell an physikalische und technische Grenzen.
Bis vor wenigen Jahren war es kaum möglich, präzise Modelle für reale Experimente mit mehr als wenigen verschränkten Photonen effizient zu berechnen. Dies bremste nicht nur akademische Forschung aus, sondern auch die Industrie, insbesondere in Bereichen wie quantensichere Kommunikation oder optische Quantencomputer-Designs.
Phoenix adressiert genau diese Lücke, indem es realistische Modelle mit hoher Rechenpräzision ermöglicht – bei gleichzeitig geringeren Hardwareanforderungen. Mehrere Module lassen sich parallelisieren, was insbesondere in Cloud-basierten Rechenumgebungen Vorteile verspricht.
Open Source trifft Spitzenforschung – die Bedeutung für die Community
Erschienen ist Phoenix 2023 unter einer MIT-Lizenz auf GitHub. Der Quellcode ist vollständig offen und wird aktiv von einem wachsenden Kreis internationaler Forschender erweitert. Es unterstützt sowohl Python- als auch Julia-Schnittstellen und lässt sich über containerisierte Infrastrukturen (z. B. Docker, Kubernetes-Cluster) problemlos in bestehende HPC- oder Cloud-Umgebungen integrieren.
Die Veröffentlichung von Phoenix als Open-Source-Plattform ist ein bedeutender Schritt im Sinne der Mittelbarmachung wissenschaftlicher Infrastruktur. Sie beschleunigt den Austausch unter Forschenden und senkt die Einstiegshürden für neue Arbeitsgruppen – unabhängig von Ressourcenlage oder Standort. Dadurch entsteht ein kollaboratives Ökosystem, das sich rasch weiterentwickelt.
Mit mehr als 6.000 Downloads und über 120 aktiven Forks (Stand: März 2025) ist Phoenix eines der erfolgreichsten Open-Source-Projekte im Bereich der photonischen Quanteninformatik.
Quelle: GitHub (https://github.com/phoqs/phoenix)
Vielfältige Anwendungsbereiche von Phoenix
Die Einsatzszenarien von Phoenix reichen von Grundlagenforschung über Quantenkommunikation bis zur Halbleiterfertigung. Besonders hervorzuheben sind:
- Design photonischer Quantenchips: Komplexe Geometrien, Wechselwirkungsmodelle und Materialeffekte lassen sich vorab präzise analysieren.
- Optimierung von Quantenkommunikationssystemen: Phoenix kann realistische Übertragungsstrecken inklusive Dekohärenz simulieren, etwa für Quanten-Key-Distribution (QKD).
- Ausbildung und Lehre: Dank Python-Frontend mit Visualisierungstools können Studierende interaktiv mit Photonenzuständen experimentieren.
Darüber hinaus wird Phoenix auch von Industriepartnern getestet – etwa zur Modellierung von Wellenleiterarchitekturen in Silizium-basierten PICs (Photonic Integrated Circuits).
Stärken in Hosting & Infrastruktur
In Bezug auf Infrastruktur bietet Phoenix zahlreiche moderne Features, die es ideal für professionelle Hosting-Umgebungen oder Forschungslabore machen:
- Containerisierung: Mit bereitgestellten Docker-Images ist eine einfache Integration in DevOps-Pipelines möglich.
- Clusterfähigkeit: Native Unterstützung für SLURM, Kubernetes und andere Scheduler erlaubt die Ausführung großer Simulationen auf verteilten Systemen.
- Cloud-ready: Phoenix funktioniert out-of-the-box auf AWS, Google Cloud & OpenStack-Umgebungen.
- API-basiertes Moduldesign: Drittsysteme können neue Module andocken oder Phoenix in Workflows einbinden.
Für größere Forschungseinrichtungen und Institute wird damit eine strategisch wichtige Brücke zwischen On-Premise-High-Performance-Computing (HPC) und skalierbarem Cloud-Computing geschlagen – bei maximaler Kontrolle über Daten und Sicherheitsrichtlinien.
Statistischer Einblick: Laut einer Studie des Quantum Flagship der EU (2024) beruhen inzwischen über 37 % aller quantenoptischen Preprints im Bereich Simulation auf offenen Codes wie Phoenix oder QuTiP.
Quelle: Quantum Flagship Annual Report 2024, https://www.qt.eu/news/annual-report-2024
Forschungsbeispiele und Praxiseinsatz
Bereits in mehreren Publikationen wurde Phoenix erfolgreich in komplexen Forschungsvorhaben eingesetzt. Ein Beispiel liefert die Universität Innsbruck, die mit Phoenix eine neue Art verteilten Quantenlichts modellierte, das sich besonders gut für Multipath-Kommunikation eignet.
Ein weiteres Beispiel stammt vom HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), das Phoenix in der Charakterisierung photonischer Halbleitermaterialien für Quantensensorik einsetzt – mit signifikantem Effizienzgewinn gegenüber kommerziellen Simulationslösungen. Gemäß Angaben aus einem internen Forschungsbericht konnte die Simulationszeit um bis zu 32 % reduziert werden.
Quelle: HZDR Internal Quantum Photonics Memo (2024)
Tipps für den effizienten Einsatz von Phoenix
Forschende, HPC-Operator und DevOps-Teams können das volle Potenzial von Phoenix nutzen, indem sie folgende bewährte Vorgehensweisen beherzigen:
- Eigenes Modul-Repository aufsetzen: Die granularen Schnittstellen erlauben es, bestehende Photonenzustände oder Schaltungen als wiederverwendbare Module zu pflegen.
- Infrastructure-as-Code (IaC) nutzen: Integration in Terraform oder Ansible erleichtert Reproduzierbarkeit und Konfigurationssicherheit.
- Community-Feedback einholen: Die GitHub-Community ist aktiv – wer Fragen stellt oder Issues meldet, erhält oft innerhalb weniger Stunden qualifizierte Antworten.
Ein Ausblick: Phoenix als Baustein für Quanten-Clouds?
Mit wachsender Leistungsfähigkeit photonischer Quantencomputer könnte sich Phoenix zum Schlüssel-Tool für virtuelle Testumgebungen entwickeln. Denkbar ist die Integration in Cloud-Plattformen mit nativen Quantum-Simulatoren (z. B. Amazon Braket, IBM Qiskit) – nicht als bloße Vorbereitung, sondern als Begleiter im Entwicklungszyklus.
Schon jetzt experimentiert ein Projektkonsortium unter Leitung der RWTH Aachen mit einer solchen Verknüpfung von Phoenix und Braket zur Modellentwicklung photonischer Transportwege. Langfristig könnte Phoenix damit ein fester Bestandteil des quantenwissenschaftlichen Entwicklungsstacks werden – vergleichbar mit klassischen CFD-Simulationen in der Ingenieurwissenschaft.
Fazit: Phoenix als Katalysator für Quantendiagnostik und Infrastruktur
Phoenix ist mehr als ein weiteres Open-Source-Tool – es ist ein hochspezialisiertes Rahmenwerk, das Forschung und Technologieentwicklung im Bereich der Photonik auf eine neue Ebene hebt. Mit seiner Stabilität, Skalierbarkeit und aktiven Community ist es ein Paradebeispiel für wissenschaftsgetriebenes Open Science Engineering.
Quanteninformatik, Photonik und Infrastrukturentwicklung rücken durch Tools wie Phoenix weiter zusammen. Wer heute beginnt, das System in bestehende Umgebungen zu integrieren, ebnet den Weg für kollaborative Innovationen. Die Community ist eingeladen, sich zu beteiligen, Erweiterungen zu testen und die Zukunft der Quantensimulation aktiv mitzugestalten.
