04 Dez Photonen-Detektoren im Megamaßstab charakterisiert
Wissenschaftler der Universität Paderborn haben Hochleistungsrechnen (High Performance Computing, HPC) eingesetzt, um einen photonischen Quantendetektor im Megamaßstab zu charakterisieren. Derartige Detektoren messen einzelne Photonen und sind zentral für die Quantenforschung, beispielsweise in der Messtechnik und für Quantencomputer. Die Herausforderung liegt in der Analyse der großen Datenmengen, die bei solchen Experimenten entstehen, ohne die quantenmechanische Struktur der Daten zu beeinträchtigen. Mit herkömmlichen Methoden wäre dies nicht möglich gewesen.
Das Team um Physiker Timon Schapeler und Informatiker Dr. Robert Schade entwickelte dazu maßgeschneiderte Open-Source-Algorithmen, die auf den HPC-Systemen des Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) laufen. Das PC2, eine interdisziplinäre Einrichtung der Universität Paderborn, gehört zu den führenden Nationalen Hochleistungsrechenzentren Deutschlands. Die Berechnungen wurden für die tomografische Rekonstruktion eines photonischen Quantendetektors genutzt, ein Verfahren, das die experimentellen Daten zur exakten Charakterisierung und Zertifizierung von Quantendetektoren aufarbeitet. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Quantum Science and Technology veröffentlicht.
Neue Werkzeuge für skalierbare Quantenforschung
Das Forscherteam demonstrierte die Fähigkeit, große Datenmengen effizient zu analysieren. Berechnungen, die mit herkömmlichen Methoden Stunden oder Tage dauern würden, konnten dank HPC innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden. Wie Physiker Schapeler erklärt, stellt diese Arbeit die erste Anwendung von klassischem Hochleistungsrechnen für Quantenphotonik im großen Maßstab dar: Die Methode bietet besonders für die Charakterisierung von photonischen Quantencomputern neue Möglichkeiten, da sie Skalierungen ermöglicht, die bisher nicht erreichbar waren. Das Verfahren soll auch dabei helfen, den sogenannten Quantenvorteil in Experimenten zu demonstrieren, bei denen Quantenmethoden klassische Ansätze übertreffen.
Schapeler ist Doktorand in der Arbeitsgruppe für Mesoskopische Quantenoptik unter der Leitung von Prof. Dr. Tim Bartley; diese untersucht die Physik von Quantenzuständen des Lichts sowie deren Anwendungen. Die aktuellen Experimente konzentrieren sich auf Quantensysteme mit mehreren Hundert bis Tausend Photonen. Solche Größenordnungen verdeutlichen die Vorteile von Quanten- gegenüber klassischen Systemen. Der Nutzen reicht von der Messtechnik über die Datenverarbeitung bis hin zur Kommunikationstechnologie.
Die Universität Paderborn nimmt eigenen Angaben zufolge mit ihrer interdisziplinären Quantenforschung und der exzellenten HPC-Infrastruktur eine Vorreiterrolle in diesem Segment ein. Die Ergebnisse unterstreichen die Relevanz der Grundlagenforschung für die Entwicklung praktischer Werkzeuge in der Quantenwissenschaft.
Quantentomografie an einem photonischen Quantendetektor im Megamaßstab
Hochskalierte Photonendetektoren kommen in der Quantenforschung immer häufiger zum Einsatz. Diese Geräte exakt zu charakterisieren, ist von zentraler Bedeutung, um sie effektiv für Messungen nutzen zu können – und bislang eine Herausforderung. Denn damit gehen große Datenmengen einher, die analysiert werden müssen, ohne deren quantenmechanische Struktur zu vernachlässigen. Geeignete Werkzeuge zur Verarbeitung dieser Datensätze sind insbesondere für künftige Anwendungen wichtig. Während klassische Ansätze keine vergleichbaren Berechnungen von Quantensystemen jenseits einer bestimmten Skala zulassen, haben sich die Paderborner Wissenschaftler das Hochleistungsrechnen für die Charakterisierungs- und Zertifizierungsaufgaben zunutze gemacht. „Durch die Entwicklung von maßgeschneiderten Open-Source-Algorithmen unter Verwendung von High Performance Computing haben wir eine Quantentomografie an einem photonischen Quantendetektor im Megamaßstab durchgeführt“, erklärt Physiker Timon Schapeler, der das Paper zusammen mit dem Informatiker Dr. Robert Schade sowie Kollegen vom PhoQS (Institut für Photonische Quantensysteme) und dem PC2 (Paderborn Center for Parallel Computing) geschrieben hat. Das PC2, eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung der Universität Paderborn, betreibt die HPC-Systeme. Die Hochschule gehört zu den Nationalen Hochleistungsrechenzentren in Deutschland und damit zur Spitze des universitären High Performance Computings.
www.uni-paderborn.de/thema/quantenforschung
Originalpublikation
[T. Schapeler, R. Schade et al.: Scalable quantum detector tomography by high-performance computing; 2025 Quantum Sci. Technol. 10 015018. DOI: 10.1088/2058-9565/ad8511]
Quelle: www.uni-paderborn.de
Bild: Universität Paderborn, Hennig/Mazhiqi
