„Quantencomputer erlauben es, bislang unlösbare Probleme zu attackieren“

Herr Professor Ospelkaus, Sie möchten im Verbund mit anderen Forschungseinrichtungen in den kommenden fünf Jahren einen Quantencomputer bauen. Was unterscheidet diesen von einem herkömmlichen Computer?

Quantencomputing basiert auf einem grundsätzlich anderen Konzept, als wir das von klassischen Computern gewohnt sind. Da geht es zunächst einmal um die Art und Weise, wie diese Geräte mit Informationen umgehen und diese abspeichern. Die Recheneinheit eines klassischen Computers ist das Bit. Das Bit kann sich in zwei Zuständen befinden: 0 oder 1. Ein Quantencomputer rechnet dagegen mit Quantenbits, kurz Qubits. Im Unterschied zu den Bits können sich Qubits nicht nur im Zustand 0 oder 1, sondern in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden. In der Quantenphysik nennen wir das den Überlagerungszustand oder auch „Superposition“.

Haben Sie ein Bild dafür? 

Um das zu illustrieren, kann man sich das Qubit und seine möglichen Zustände auf einer Erdkugel vorstellen: Unten am Südpol, wo die Pinguine sitzen, ist der eine Zustand, zum Beispiel Null. Und oben am Nordpol, wo die Eisbären sind, ist der andere Zustand, die Eins. Bei einem klassischen Computer sind nur diese beiden Zustände erlaubt, die Bits befinden sich also immer entweder am Südpol oder am Nordpol. Qubits hingegen können sich auch an beliebigen anderen Punkten auf dieser Kugel befinden.

Allerdings: Im quantenmechanischen Messprozess muss sich das Qubit dann entscheiden, ob es bei 0 oder 1, am Südpol oder am Nordpol ist. Das heißt, in dem Moment, in dem man das System anschaut, verliert man immer Informationen. Zwischendurch kann man viel machen mit dem Qubit. Aber in dem Moment der Messung zwingt man es dazu, sich für einen der Zustände zu entscheiden.

Ein weiteres grundlegendes Prinzip der Quantenphysik, neben der Superposition, ist die Quantenverschränkung. Was genau passiert dabei? 

Darunter versteht man einen Zustand, in dem die teilnehmenden Quantensysteme nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet werden können. Bringe ich zwei Qubits in einen solchen verschränkten Zustand, dann kann ich die beiden Qubits danach auch im Prinzip tausende Kilometer auseinanderziehen. Aber wenn ich ein Qubit messe und dabei beispielsweise eine 0 finde, wird das andere Qubit danach auch immer eine 0 ergeben, und genau so eine 1, wenn die Messung des ersten Qubits eine 1 ergibt. An dieser „spukhaften Fernwirkung“ hatte sich schon Einstein gestoßen, aber Experimente haben das immer wieder bestätigt. 

Quantencomputer können auf verschiedenen Architekturen basieren. Dabei werden jeweils unterschiedliche Methoden angewendet, um Qubits zu erzeugen. Sie arbeiten mit Ionenfallen. Wie funktionieren diese Fallen?

Die Frage ist immer: Was verwendet man als Qubit und wie manipuliert man das dann? Wir verwenden Berylliumionen als Qubits. Das sind Berylliumatome, denen man ein Elektron weggenommen hat. Die Qubits muss man nun irgendwie festhalten können, und das macht man mit einer sogenannten Ionenfalle. Die Falle besteht aus unterschiedlichen Metallteilen, die auf unterschiedlichen Spannungen liegen und so elektrischen Felder erzeugen. Mithilfe dieser elektrischen Felder kann ein Teilchen eingefangen werden.

Um die Qubits zu manipulieren und so mit ihnen zu rechnen, verwenden wir Mikrowellenimpulse. Das sind im Prinzip Radiosignale, wie man sie auch in Mobiltelefonen verwendet. Und damit die Qubits nicht ständig mit anderen Atomen, beispielsweise Sauerstoff Stickstoff, die ja auch noch hier im Raum unterwegs sind, reagieren, findet das Ganze in einem Vakuum statt. So können wir die Qubits für längere Zeit speichern und manipulieren.

Welche Vorteile bietet die Ionenfalle gegenüber anderen Quantencomputer-Architekturen, beispielsweise dem Supraleiter? 

Das Besondere an den Ionenfallen ist, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Gekühlt werden müssen lediglich die Ionen, dafür nutzen wir Laserstrahlen. Die Laserkühlung ermöglicht es uns, die Ionen auf so tiefe Temperaturen zu bringen, dass jegliche Bewegung in ihnen ausgefroren ist. Und dass, obwohl sämtliche Umgebung der Ionen auf Raumtemperatur ist. 

Darüber hinaus kann man in dieser Architektur bei den Qubits extrem langlebige Zustände erzielen. Die Qubits in unserem Labor leben minutenlang, bevor sie dekohärieren, also bevor die Überlagerungszustände kaputtgehen. Sobald die Qubits dekohäriert sind, sind sie für uns nicht mehr nützlich. Wir haben hier mit unserer Technologie eine Dekohärenzzeit im Minutenbereich, während die Rechenoperationen sich im Bereich von hunderten Mikrosekunden befinden. Die Speicherzeit steht also in einem sehr guten Verhältnis zur Rechenzeit.

Gibt es weitere Vorteile?

Was außerdem für die Ionenfallen-Architektur spricht, ist die Qualität der Rechenoperationen: Ionen sind bisher das System mit dem niedrigsten Fehler bei den Rechenoperationen. Das ist dann relevant, wenn man das System skalieren möchte, also mit ganz vielen Qubits rechnen möchte. Dabei muss der Fehler, den man bei einzelnen Rechenoperationen macht, möglichst klein sein.

An Quantencomputing werden derzeit große Hoffnungen geknüpft. Aufgaben, für die heutige Computer tausende Jahre bräuchten, lösen Quantencomputer in wenigen Sekunden. In welchen Bereichen werden sie uns nachhaltige Fortschritte bringen?

Zunächst einmal stimmt es nur bedingt, dass Quantencomputer schneller sind als klassische Computer. Ein Quantencomputer kann nicht einfach jede klassische Rechnung beschleunigen, sondern er beschleunigt spezifische Anwendungen und spezifische Probleme. Da geht es dann beispielsweise darum, aus großen, unsortierten Datenbeständen Objekte nach bestimmten Kriterien auszuwählen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist etwa die Zerlegung großer Zahlen in ihre Primfaktoren, das hat Relevanz für Fragen der Verschlüsselung. 

In welchen Bereichen könnte der Quantencomputer noch angewendet werden? 

Für mich, als Physiker, ist ein Aspekt ganz wichtig: Ein Quantencomputer ist im Grunde ein quantenmechanisches System. Und in der Natur gibt es ganz viele Dinge, die sich quantenmechanisch verhalten, in der Chemie beispielsweise. Mit einem Quantencomputer hat man einen vollkommen neuen und konstruktiven Zugang zu chemischen Reaktionen, Molekülen und Bindungen. Man kann also am Computer Simulationen von chemischen oder biologischen Vorgängen durchführen und daraus etwa neue Wirkstoffe oder Materialien gewinnen. Das ist etwas, wo der Quantencomputer einen exponentiellen Gewinn verspricht. Immer, wenn es darum geht, dass sich die Natur quantenmechanisch verhält, kann man das in so einer Maschine abbilden. Das heißt auch: Der Quantencomputer ist kein allgemeiner Beschleuniger für alle möglichen digitalen Probleme dieser Welt. Sondern diese Maschinen erlauben es uns, Probleme zu attackieren, die bis jetzt auf klassischen Computern unlösbar sind.

Erleben wir mit den Quantencomputern also bald eine „Revolution in der IT“, wie manche Medien titeln? Oder wird das Ganze mitunter auch ein bisschen zu sehr gehyped?

In dem enormen Interesse, das derzeit am Thema Quantencomputing besteht, liegt tatsächlich auch eine große Gefahr. Da wird teilweise die ganze Entwicklung der digitalen Technologie, die wir in den letzten 50 Jahren gehabt haben, auf dieses junge Feld projiziert und erwartet, dass sich die gleiche Dynamik ergibt. Dadurch kann es passieren, dass man die Chancen, die sich ergeben und die Fortschritte, die sich zeigen, einfach übersieht. Und sich dann enttäuscht dem nächsten Thema zuwendet.

Dabei ist klar: Man braucht für diese neue Technologie einen langen Atem. Das merkt man schon daran, dass ihre Grundlagen bereits in den 1930er-Jahren entwickelt wurden. Natürlich steckt zurzeit viel Dynamik in diesem Forschungsfeld und dadurch, dass Ressourcen zur Verfügung gestellt werden, entwickeln sich die Dinge schneller. Aber es besteht auch die Gefahr, dass man die eigentlichen Erfolge übersieht, weil unter die Räder gerät, dass es sich um ein ganz anderes Konzept und ganz andere Mechanismen als in unserer mittlerweile vertrauten digitalen Welt handelt.

So wie das klingt, werden wir als Verbraucher*innen uns wohl erstmal keinen Quantencomputer ins Wohnzimmer stellen. Inwiefern können Forschung und Industrie von Projekten wie Ihrem profitieren? 

Das erklärte Ziel des Projekts ist, dass auch externe Anwender*innen auf das Gerät zugreifen können. Viele Kolleg*innen an anderen Instituten machen das auch heute schon, dass sie ihre Systeme für externe Nutzer*innen zur Verfügung stellen. Insbesondere im ATIQ-Projekt, ein Vorhaben, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird und zum 1. Dezember 2021 angelaufen ist, steht diese Frage im Mittelpunkt: Wie man Quantenprozessoren so entwirft, dass sie für Anwendungen besonders gut funktionieren und dass Anwender*innen auf diese Geräte zugreifen können, mit der entsprechenden Verfügbarkeit und Robustheit, die man dafür braucht.