Quantencomputer? Yes, we can!

Darstellung einiger Drähte und Metallstücke aus dem Inneren eines Quantencomputer-Modells.
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Die Rechenleistung eines Quantencomputers bietet enorme Chancen für unterschiedliche Technologiebereiche – von der Physik, der Molekularbiologie und den Materialwissenschaften bis hin zu den Finanzmärkten und Künstlicher Intelligenz.

Herr Professor Dr. Schmidt, was genau ist eigentlich ein Quantencomputer?
Quantencomputer arbeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Computer nicht mit klassischen Bits und ihren strengen Null-Eins-Werten, sondern mit Quantenbits (Qubits), die sich in einem – zugegeben unanschaulichen, aber sehr wirkungsvollen – Überlagerungszustand von Null und Eins befinden können. Sobald eine auch relativ kleine Zahl solcher Qubits miteinander verschaltet wird, wächst die Rechenleistung exponentiell. 

Porträt Professor Dr. Piet Schmidt Professor Dr. Piet Schmidt von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und sein Team im Forschungsbündnis „Quantum Valley Lower Saxony“ arbeiten an einem urltraschnellen Quantencomputer.

Foto: S.Lazar/QuantumFrontiers

Welche Technologie steckt dahinter?
Die grundsätzliche Herausforderung für jeden, der einen Quantencomputer bauen will, ist es, eben die Qubits miteinander zu verschränken. Im „Quantum Valley Lower Saxony“ bilden hierzu einzelne, gefangene Ionen die technologische Basis. Mithilfe von elektrischen Feldern werden diese Ionen eingefangen und durch Radiowellen und Laserstrahlen kontrolliert. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ist diese Ionenfallen-Technologie bereits extrem gut erprobte Praxis und wird dort seit vielen Jahren für die genausten europäischen Atomuhren eingesetzt. Tatsächlich gehören die Ionen zu einer der ersten Technologien, die man überhaupt für Quantencomputer untersucht hat. Es kristallisierte sich schnell heraus, dass sich die Quanteninformation zwischen Ionen mit Lasern gut übertragen lassen und dass man mit Ionen im Prinzip skalierbare Systeme bauen kann. Das hat die gefangenen Ionen jetzt neben supraleitenden Qubits zu den technologischen Front-Runnern gemacht. 

Mit supraleitenden Qubits arbeiten auch andere sehr prominente Gruppen, oder?
Ja, da sind vor allem IBM und Google zu nennen. Die haben jetzt schon über 50 Qubits am Laufen. Auch bei Ionen konnten bereits zig Qubits miteinander verschränkt werden. Innerhalb der Ionen-Forschungs-Community gibt es zudem noch unterschiedliche Ansätze, wie man das angehen kann. Die meisten Gruppen manipulieren die Ionen dabei mit Lasern. Nun sind Laser zwar unbedingt notwendig zum Kühlen und Auslesen der Qubits, aber Laserstrahlung haben wir nicht so gut unter Kontrolle wie Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Strahlung. Und eben darin liegt der ganz besondere Ansatz, den wir hier verfolgen. Mein Kollege Prof. Dr. Christian Ospelkaus hat in seiner Gruppe diesen Mikrowellenansatz perfektioniert. Die Skalierbarkeit zu mehr Qubits könnte mit diesen Mikrowellen deutlich einfacher gelingen als mit dem laserbasierten Ansatz.

Ihr Forschungsbündnis geht davon aus, innerhalb von fünf Jahren einen demonstrationsfähigen Quantencomputer zu haben. Ist das realistisch?
Ja. Wir werden einen Computer aus 50 Qubits haben. Es ist schließlich nicht so, dass wir erst jetzt neu mit der Entwicklung starten. Wir sind vielmehr im vollen Lauf und schalten nun den Turbo ein. Die einzelnen Bausteine eines Quantencomputers sind bereits demonstriert, und wir müssen das jetzt „nur“ noch auf 50 hochskalieren. Wobei damit noch jede Menge technologische Optimierung und ingenieursmäßige Umsetzung der demonstrierten Grundprinzipien verbunden sind, die wir vor allem mit den Kollegen von der TU Braunschweig angehen wollen.

Was soll der erste Quantencomputer berechnen? 
Vermutlich wird das eine Simulation eines anderen Quantensystems sein. Das bedeutet, der Quantencomputer berechnet beispielsweise den Grundzustand eines einfachen Moleküls. Was ich persönlich jedoch als Killerapplikation für unser Projekt sehe, ist das Quanten-Maschinen-Lernen. Da werden dann neuronale Netze auf dem Quantencomputer von unseren Kollegen an der Leibniz Universität Hannover implementiert. Diese Netze werden trainiert, sind dann auch fehlertolerant und können Entscheidungen treffen. Und dies effizienter als in einem normalen Computer.

Dann dürften alle, denen es um Künstliche Intelligenz geht, gespannt auf Ihre Resultate sein?
Ja, diese Community hat bereits vor einigen Jahren den Quantencomputer für sich entdeckt und begonnen, sich für hybride Lösungen aus klassischem und quanten-unterstützen Systemen zu interessieren. Einen Computers, der mit den Gesetzen und Prinzipien der Quantenmechanik arbeitet, sehen aufgrund seiner enorme Rechenleistung aber auch Physiker und zahlreiche Anwender auf den unterschiedlichsten Technologiefeldern als Attraktion – von der Kryptografie, der Molekularbiologie und den Materialwissenschaften bis hin zu den Finanzmärkten.