Quantencomputer gelten als Schlüsseltechnologie der Zukunft – doch nicht alle Systeme basieren auf denselben physikalischen Prinzipien. Während supraleitende Qubits und Ionenfallen die bisherigen Platzhirsche darstellen, drängen photonische Quantencomputer zunehmend ins Rampenlicht. Was steckt dahinter – und welche Architektur liefert langfristig die besseren Ergebnisse?
Die Grundkonzepte: Photonen vs. Materie-Qubits
Quantencomputer nutzen die Gesetze der Quantenmechanik, um Informationen in sogenannten Qubits zu verarbeiten. Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen (Superposition) und durch Verschränkung Zustände miteinander teilen. Die physikalische Realisierung dieser Qubits unterscheidet sich je nach Architektur fundamental:
- Konventionelle Quantencomputer verwenden typischerweise supraleitende Schaltkreise (z. B. IBM oder Google) oder Ionenfallen (z. B. IonQ oder Honeywell), bei denen Materie-Qubits in speziell abgeschirmten Systemen manipuliert werden.
- Photonische Quantencomputer basieren auf einzelnen Lichtquanten, die durch optische Schaltkreise geleitet und dort miteinander verschränkt werden (z. B. Xanadu, PsiQuantum).
Diese unterschiedlichen physikalischen Träger beeinflussen nicht nur die technische Umsetzung, sondern auch Skalierbarkeit, Fehleranfälligkeit und Anwendungsspektrum der Systeme.
Technisches Profil: Wie funktionieren photonische Quantencomputer?
Photonische Quantencomputer nutzen Zustände einzelner Photonen – etwa Polarisation oder Pfad – als Qubits. Diese Photonen bewegen sich durch komplexe, integrierte optische Schaltkreise aus Wellenleitern, Modulatoren und Detektoren. Die Manipulation erfolgt durch interferometrische Gitter, nicht durch elektrische Impulse. Besonders verbreitet ist die sogenannte Linear Optical Quantum Computing (LOQC)-Architektur, bei der Quantengatter aus linearen optischen Elementen (wie Beam-Splittern und Phasenverschiebern) und anhand probabilistischer Regeln erzeugt werden.
Ein Vorteil: Photonen interagieren kaum miteinander und können daher mit extrem niedriger Fehlerwahrscheinlichkeit übertragen werden – ideal für skalierbare, modulare Architekturen. Die Firma Xanadu beispielsweise setzt auf sogenannte Continuous Variable Qubits (cv-Qubits), die in einem kontinuierlichen Spektrum von Quantenzuständen codiert sind und durch Lichtmodulation in integrierten Siliziumchips erzeugt werden.
Technische Stärken & Schwächen im Vergleich
Obwohl sich beide Architekturen dem gleichen Ziel – rechenleistungsstarke Quantenmaschinen – verschrieben haben, unterscheiden sie sich teils deutlich in ihrer technischen Performance:
- Stabilität: Photonische Qubits sind weit weniger anfällig für Wärme und elektromagnetische Störungen als supraleitende Qubits, müssen aber extrem präzise erzeugt und gesteuert werden.
- Skalierbarkeit: Photonische Systeme lassen sich grundsätzlich gut auf Chip-Ebene integrieren, doch der Aufbau massiver linearer optischer Netzwerke ist technisch herausfordernd. Bei supraleitenden Qubits dagegen steigt die Fehlerkorrekturlast exponentiell mit der Anzahl der Qubits.
- Fehlerraten: Studien zeigen, dass photonische Systeme deutlich niedrigere decoherence errors aufweisen als materiebasierte Systeme. Dafür sind Gatteroperationen in LOQC-Systemen oft probabilistisch und schlechter automatisierbar.
Laut einer 2023 veröffentlichten Studie der University of Oxford liegt die typische Fehlerwahrscheinlichkeit photonischer Gatteroperationen unter 0,2 %, gegenüber ca. 1,6 % bei supraleitenden Systemen (vgl. „Towards scalable quantum photonics“, Nature Photonics, 2023). Das könnte photonischen Plattformen langfristig einen Vorteil im Bereich zuverlässiger Berechnungen verschaffen.
Rechenpower & Geschwindigkeit
Photonen reisen mit Lichtgeschwindigkeit – eine Eigenschaft, die sich beim Aufbau ultraflacher Netzwerke und für parallele Verarbeitung von Vorteil zeigt. Allerdings sind Steuerungs- und Messverfahren für Photonen deutlich komplexer, was die tatsächliche Umsetzungszeit von Algorithmen verlängern kann. Demgegenüber ermöglichen supraleitende Chips mit fest verdrahteten Qubits eine schnellere Interaktion, leiden jedoch unter kürzerer Kohärenzzeit.
Für die praktische Anwendung zählt deshalb nicht nur die Anzahl der Qubits, sondern die quantum volume (QV) – eine Metrik, die Stabilität, Gate-Fidelity, Kohärenzzeit und Konnektivität kombiniert. Während IBM 2024 mit dem Chip „Heron“ eine QV von über 2.000 erreichte, kündigte PsiQuantum an, mit einer photonischen Architektur skalierbare Systeme mit Millionen Qubits zu entwickeln – echtes Fault-Tolerant Quantum Computing inklusive.
Fehlerkorrektur: Der heilige Gral
Eine große Hürde beider Plattformen bleibt die Fehlerkorrektur. Klassische Verfahren erfordern Redundanz – das heißt, mehrere physikalische Qubits bilden gemeinsam ein logisches Qubit. Bei supraleitenden Ansätzen liegt der Overhead typischerweise bei einem Faktor von über 1.000, was immense Hardwarebedarfe erzeugt.
Photonische Qubits ermöglichen theoretisch effizientere Fehlerkorrektur durch Cluster-State-Architekturen und topologische Kodierung. Hierfür werden große, vorgesponnene Photonengitter erzeugt, sogenannte „Graph States“, die robuste Gatteroperationen erlauben. Xanadu und PsiQuantum arbeiten beide daran, diese Methode in skalierbare Designs zu überführen.
Laut dem Quantum Error Correction Report von McKinsey (2023) benötigen photonische Plattformen durchschnittlich nur 1/5 der physikalischen Qubits pro logischem Qubit im Vergleich zu supraleitenden Methoden – ein potenzieller Gamechanger.
Praktische Tipps zur Einschätzung aktueller Quantenplattformen:
- Berücksichtigen Sie die Fehlerkorrekturstrategie und Overhead-Faktoren beim Vergleich von Qubit-Zahlen.
- Orientieren Sie sich an Metriken wie Quantum Volume und Gate Fidelity, nicht nur an Qubit-Zahlen.
- Fragen Sie gezielt nach der Roadmap zur Skalierung und zum realen Betrieb fault-toleranter Systeme.
Anwendungsbereiche: Wo glänzen photonische Systeme besonders?
Aufgrund ihrer modularen Natur und hohen Übertragungssicherheit gelten photonische Quantencomputer als ideale Kandidaten für langfristige Anwendungen in:
- Quantenkommunikation und Kryptographie: Photonische Qubits lassen sich über Glasfasern übertragen und ermöglichen so direkte Anwendungen in Quantum Key Distribution (QKD) und Quanten-Internet-Infrastrukturen.
- Simulation quantenoptischer Systeme: Da Photonen selbst fundamentale Bestandteile optischer Quantenprozesse sind, eignen sich photonische Plattformen besonders gut für die Simulation solcher Systeme.
- Edge Quantum Computing: Kleinere, rauschunempfindliche photonenbasierte Komponenten könnten als spezialisierte Co-Prozessoren für bestimmte Rechenaufgaben fungieren.
Marktreife & industrielle Dynamik
Technologieunternehmen mit Fokus auf photonische Quantencomputer haben in den letzten drei Jahren signifikant an Fahrt aufgenommen. PsiQuantum, das rund 665 Mio. USD (Stand: 2024, Crunchbase) eingesammelt hat, entwickelt gemeinsam mit GlobalFoundries einen voll integrierbaren Quantenprozessor im CMOS-Prozess. Xanadu stellte 2023 mit „Borealis“ den ersten öffentlich zugänglichen, cloudbasierten photonischen Quantencomputer vor, der in Benchmarking-Tests mit supraleitenden Systemen konkurrieren konnte.
Laut einer Marktanalyse von Boston Consulting Group (2023) könnten photonische Systeme ab 2028 die Schwelle zur kommerziellen Anwendbarkeit überschreiten – insbesondere in hybriden Architekturen zusammen mit klassischen Supercomputern oder anderen Quantenplattformen.
Fazit: Licht oder Materie – was bringt die Quantenrevolution ins Rollen?
Photonische Quantencomputer sind längst keine experimentelle Nische mehr. Ihre spezifischen Vorteile in Skalierbarkeit, Fehlerresistenz und Kommunikation machen sie zu ernstzunehmenden Mitbewerbern gegenüber etablierten, konventionellen Architekturen. Die noch bestehenden Hürden – vor allem probabilistische Gatteroperationen und komplexe Steuerung – rücken dank technologischer Fortschritte zunehmend in den Hintergrund.
Ob künftig Licht statt Strom unsere Quantenalgorithmen antreibt, wird nicht nur eine Frage der Technologie – sondern auch der Anwendungen und Märkte sein. Klar ist: Eine heterogene Quantenlandschaft mit verschiedenen Plattformen für unterschiedliche Szenarien erhöht die Chancen, das volle Potenzial des Quantum Computing zu heben.
Wie sehen Sie die Zukunft photonischer Quantencomputer? Teilen Sie Ihre Meinungen, Erfahrungen und Ideen mit unserer Community in den Kommentaren oder schreiben Sie uns direkt!
