# Photonische vs. supraleitende Qubits: Technologien im Vergleich
**Photonic** und **supraleitende Qubits** zählen zu den führenden Hardware‑Plattformen für Quantencomputer. Beide setzen auf völlig unterschiedliche physikalische Prinzipien: während supraleitende Qubits elektrische Schaltkreise bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nutzen, basieren photonic Qubits auf einzelnen Lichtquanten, die bei Raumtemperatur durch Glasfasern oder Chip‑Wellenleiter laufen. Die Wahl der Technologie hat erhebliche Auswirkungen auf Skalierbarkeit, Fehlerraten und Anwendungsfelder. Dieser Beitrag vergleicht beide Ansätze, beschreibt ihre Stärken und Herausforderungen und beleuchtet auch hybride Konzepte.
## Supraleitende Qubits
Supraleitende Qubits sind derzeit die dominierende Plattform in der NISQ‑Ära. Sie verwenden **Josephson‑Junctions** – nichtlineare supraleitende Tunnelkontakte – in elektrischen Schaltkreisen, um zwei diskrete Energiezustände als \(|0\rangle\) und \(|1\rangle\) zu definieren. Die beliebtesten Architekturen sind **Transmons**, die durch die Kapazität und Josephson‑Induktivität bestimmt werden. Ihre Eigenschaften im Überblick:
– **Gate‑Geschwindigkeit**: Operationen dauern nur wenige **10–100 ns**, da Mikrowellenimpulse direkt in Resonanz mit den Übergängen gesetzt werden.
– **Kohärenzzeiten**: Moderne Transmons erreichen **100–300 μs**, aber das ist immer noch knapp, wenn man berücksichtigt, dass eine Fehlerkorrekturschaltung viele tausend Gatter ausführt.
– **Temperatur und Infrastruktur**: Sie arbeiten bei **Millikelvin** in Verdünnungskryostaten. Das erfordert aufwendige Kühlung und hochfrequente Leitungen mit geringer Wärmelast.
– **Skalierbarkeit**: Integration auf Chip‑Ebenen ermöglicht dichte Arrays (IBM Osprey: 433 Qubits). Allerdings steigt der Verkabelungsaufwand quadratisch, und Frequenzcrowding sowie Crosstalk werden zunehmend problematisch. Supraleitende Ansätze wie **Fluxonium** und **Gatemon** versuchen, Fehlerraten und Frequenzabstand zu optimieren.
– **Reifegrad**: Firmen wie **IBM**, **Google** und **Rigetti** betreiben Multi‑Qubit‑Prozessoren mit wachsenden Quantenvolumina. Sie haben umfangreiche Software‑Stacks (Qiskit, Cirq) und Roadmaps für fehlerkorrigierte Quantenprozessoren.
### Herausforderungen supraleitender Qubits
Trotz beeindruckender Fortschritte gibt es wesentliche Hürden:
1. **Kryogene Kühlung** erschwert die Skalierung über tausende Qubits hinaus, da jedes Steuerkabel Wärme einträgt und Filter benötigt.
2. **Drift und Crosstalk**: Quantenphasen und Frequenzen können sich über Zeit verschieben; benachbarte Qubits koppeln sich ungewollt. Aktive Kalibrierung und Fehlerkorrektur sind nötig.
3. **Verbindungsdistanz**: Supraleitende Qubits kommunizieren über Kopplungselemente wie Resonatoren. Die Verbindung zwischen räumlich getrennten Chips erfordert Mikrowellen‑Photonen und effiziente **quantum transduction** für weite Distanzen.
## Photonic Qubits
Photonic Qubits verwenden Lichtquanten als Träger von Information. Mehrere Kodierungsarten sind verbreitet:
– **Polarisation** (horizontal/vertikal),
– **Pfadkodierung** (zwei verschiedene Wellenleiter),
– **Zeit‑Bin** (frühes/spätes Eintreffen),
– **Fock‑Zustände** (Anwesenheit eines Photons in einem Modus).
Die größten Vorteile von Photonen:
* **Raumtemperatur und geringe Verluste**: Photonen können bei Umgebungstemperatur in Glasfasern über **hundert Kilometer** übertragen werden, ideal für **Quantenkommunikation** und **Quanteninternet**. Ihre Kohärenz wird primär durch Dämpfung bestimmt, nicht durch Dekohärenz wie bei Materiequbits.
* **Skalierbare Integrationen**: Siliziumphotonik ermöglicht komplexe lineare Optik‑Gatter auf Chips. Unternehmen wie **Xanadu** und **PsiQuantum** entwickeln **boson sampling** und **cluster‑state**‑Computer auf photonic Integrated Circuits.
* **Single‑Photon‑Detektion**: Fortschritte bei supraleitenden Nanodetektoren erlauben schnelle und effiziente Messungen.
### Herausforderungen photonic Qubits
1. **Nichtdeterministische Zwei‑Qubit‑Gatter**: Photonen wechselwirken nicht direkt miteinander. Entangling‑Operationen basieren auf **Linear Optical Quantum Computing (LOQC)**, die probabilistisch sind und viele zusätzliche Ressourcen erfordern (ancilla‑Photonen, Feedforward).
2. **Photonenquelle**: Einzelphotonen aus Quantendots oder parametischer Verstärkung müssen **on demand** und mit hoher Ununterscheidbarkeit produziert werden. Verlust oder Verzögerung reduziert den Erfolg der Algorithmen.
3. **Detektionsverluste**: Auch hocheffiziente Detektoren haben <98 % Wirkungsgrad; fehlende Photonen verursachen Fehler. Fehlerkorrektur für Photonen nutzt **Bosonic Codes** wie die Gottesman–Kitaev–Preskill‑Kodierung, die komplex ist.
4. **Feedforward‑Latenz**: Viele photonic Schaltungen erfordern, dass Messergebnisse schnell ausgewertet und Folgeschalter angepasst werden – eine technologische Herausforderung für große Systeme.
## Gegenüberstellung beider Plattformen
| Eigenschaft | Supraleitende Qubits | Photonic Qubits |
|--------------------------|-----------------------------------------------------------|------------------------------------------------------|
| **Kodierung** | Energiezustände in Josephson‑Schaltkreisen | Polarisation, Pfad, Zeit‑Bin, Fock‑Zustände |
| **Betriebstemperatur** | Millikelvin (Verdünnungskryostat) | Raumtemperatur oder wenige Kelvin |
| **Gate‑Zeit** | 10–100 ns | Entangling‑Gatter probabilistisch (~μs–ms) |
| **Kohärenzzeit** | 100–300 μs | Prinzipiell sehr lang, begrenzt durch Verluste |
| **Skalierbarkeit** | Gute Chip‑Integration, aber Verkabelung aufwendig | Hohe Integration möglich, Zufallsgatter limitieren |
| **Fehlerkorrektur** | Surface‑Codes, benötigt viele physische Qubits | Bosonic Codes, GKP‑Zustände |
| **Anwendungsfeld** | Algorithmen und Simulationen (NISQ), universelles QC | Kommunikation, Boson‑Sampling, Messungs‑basierte QC |
| **Technologieträger** | IBM, Google, Rigetti, Quantinuum | Xanadu, PsiQuantum, Lightmatter, QuiX |
Diese Tabelle zeigt: Supraleitende Qubits bieten schnelle, deterministische Gate‑Operationen und sind derzeit führend für allgemeine Quantenprozessoren. Photonic Qubits glänzen hingegen mit Transportfähigkeit und potenziell langen Kohärenzzeiten, sind aber durch die Probabilistik von Zwei‑Photonen‑Gattern eingeschränkt.
## Hybride Ansätze und Transduktion
Ein vielversprechendes Forschungsfeld ist die **Kombination** beider Technologien. Supraleitende Prozessoren könnten die Rechenaufgaben übernehmen, während photonic Systeme als **Quantenbus** für die Datenübertragung fungieren. Dazu sind **Mikrowellen‑zu‑optischen Transducer** erforderlich, die Quanteninformationen ohne Verlust zwischen 5–10 GHz (Mikrowellen) und 1550 nm (Telekom‑Band) konvertieren. Experimente mit optomechanischen Resonatoren, nichtlinearen Kristallen und elektro‑optischen Modulatoren zeigen erste Durchbrüche, aber eine hohe Effizienz bei kryogenen Temperaturen ist noch offen.
Darüber hinaus entwickeln Forscher *measurement‑based quantum computing*, bei dem ein großer entanglter **Cluster‑State** photonisch erzeugt und durch Einzelqubit‑Messungen verarbeitet wird. Dies könnte deterministische, fehlerkorrigierte photonic Quantencomputer ermöglichen, sobald Quellen und Detektoren verbessert werden.
## Zukunftsaussichten
Beide Plattformen werden sich in den kommenden Jahren weiterentwickeln. Supraleitende Qubits profitieren von den Fertigungstechnologien der Halbleiterindustrie und sind gut positioniert für die ersten fehlerkorrigierten Demonstratoren. Photonic Qubits könnten im Bereich der **Quantenkommunikation** dominieren und durch **cluster‑state computing** perspektivisch universell werden. Hybridsysteme, bei denen supraleitende Knoten über photonische Kanäle verbunden sind, könnten das Beste aus beiden Welten vereinen. Wie in unserem Artikel zur **NISQ‑Ära** beschrieben, ist das heutige Ziel, aus vorhandener Hardware Erkenntnisse zu gewinnen und die Grundlagen für skalierbare Architekturen zu legen.
## Fazit
Der Vergleich zeigt, dass **supraleitende Qubits** und **photonic Qubits** komplementäre Eigenschaften besitzen. Supraleitende Bauelemente ermöglichen schnelle und deterministische Operationen und sind daher führend in der aktuellen NISQ‑Ära. Photonen punkten mit verlustarmen Übertragungswegen, langer Kohärenz und der Möglichkeit, weiträumige Netze zu bilden. Welche Plattform sich langfristig durchsetzt, ist noch offen – wahrscheinlich wird es auf einen **Hybrid** hinauslaufen, bei dem verschiedene Qubit‑Typen je nach Aufgabe zusammenarbeiten. Die vertiefte Auseinandersetzung mit beiden Technologien ist entscheidend, um die richtigen strategischen Entscheidungen für Forschung und Investitionen zu treffen. Weitere Hintergründe zu experimentellen Qubit‑Realisationen finden Sie in unserem Artikel über **topologische Qubits** und in unserem Beitrag zur **Quantenfehlerkorrektur**, wo wir erklären, wie physische Qubits zu robusten logischen Einheiten zusammengesetzt werden.