„Quantencomputer? Yes, we can!“

Die große Attraktion eines Computers, der mit den Gesetzen und Prinzipien der Quantenmechanik arbeitet, sehen nicht nur Physiker, sondern zahlreiche Anwender auf den unterschiedlichsten Technologiefeldern – von der Kryptografie, der Molekularbiologie und den Materialwissenschaften bis hin etwa zu den Finanzmärkten oder den zahlreichen Einsatzfeldern Künstlicher Intelligenz. Der Hintergrund ist jeweils die enorme Rechenleistung für spezielle Problemstellungen, die in Quantencomputern steckt, weil diese nicht mehr mit klassischen Bits und ihren strengen Null-Eins-Werten arbeiten, sondern vielmehr mit Quantenbits (Qubits), die sich in einem (zugegeben unanschaulichen, aber sehr wirkungsvollen) Überlagerungszustand von Null und Eins befinden können. Wird schon eine relativ kleine Zahl solcher Qubits miteinander verschaltet, dann wächst die Rechenleistung exponentiell.

Die grundsätzliche Herausforderung für jeden, der einen Quantencomputer bauen will, ist es daher, eben diese Qubits zu realisieren. Im „Quantum Valley Lower Saxony“ werden hierzu einzelne, gefangene Ionen die technologische Basis bilden. Mithilfe von elektrischen Feldern werden diese Ionen eingefangen und durch Radiowellen sowie Laserstrahlen kontrolliert. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist diese Ionenfallen-Technologie bereits extrem gut erprobte Praxis. In optischen Atomuhren wird diese Technologie erfolgreich eingesetzt. Sie ist zugleich einer der vielversprechendsten Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers mit signifikanter Rechenleistung.

An diesem Projekt des Quantencomputers arbeitet die PTB zusammen mit der Technischen Universität Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover. Die Technologie der Ionenfallen ist dabei das Spezialgebiet der PTB. Von der TU Braunschweig werden die Arbeiten zur chipintegrierten Elektronik beigesteuert. Und die Leibniz Universität Hannover trägt vor allem mit ihren Theoriegruppen zu den eingesetzten Algorithmen und zur Softwareoptimierung bei.
jes/ptb

Kurz-Interview der PTB-Pressestelle mit Prof. Dr. Piet Schmidt (einem der Sprecher des Forschungsbündnisses „Quantum Valley Lower Saxony“)

Piet Schmidt (lacht): Als Kind hatte ich eine schöne Katze. Die ist dann aber ziemlich verwildert, war dann auch tage- und wochenlang nicht bei uns und ist dann so ein bisschen crazy geworden. Generell liebe ich ja Katzen, aber in meiner Familie gibt es Katzenhaarallergiker, deswegen ist es aus mit Katzen – ob nun tot oder lebendig.

Die Ionen gehören tatsächlich zu einer der ersten Technologien, die man überhaupt für Quantencomputer untersucht hat. Es kristallisierte sich dann schnell heraus, dass man mit Lasern die Quanteninformation zwischen Ionen gut übertragen und dass man mit Ionen im Prinzip skalierbare Systeme bauen kann. Das hat die gefangenen Ionen jetzt neben supraleitenden Qubits zu den technologischen Frontrunnern gemacht. 

Ja, da sind vor allem IBM und Google zu nennen. Die haben jetzt, wie man hört, schon über 50 Qubits am Laufen. Bei Ionen hat man aber auch schon gezeigt, wie sich zig Qubits miteinander verschränken lassen. Innerhalb der Ionencommunity gibt es zudem noch unterschiedliche Ansätze, wie man das angehen kann. Die meisten Gruppen manipulieren die Ionen dabei mit Lasern. Nun sind Laser zwar 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 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.

Ja. Wir werden einen Computer aus 50 Qubits haben.

Ja.

Ja. Es ist schließlich nicht so, dass wir erst jetzt neu damit anfangen. Wir sind vielmehr im vollen Lauf und schalten nun noch den Turbo ein. Die einzelnen Bausteine eines Quantencomputers sind bereits demonstriert, und wir müssen das jetzt nur noch  auf 50 hochskalieren. Dabei liegt die Betonung auf „nur“, da sich dahinter natürlich noch jede Menge technologischer Optimierung und ingenieursmäßiger Umsetzung der demonstrierten Grundprinzipien verbirgt, die wir vor allem mit den Kollegen von der TU Braunschweig angehen wollen.

Vermutlich wird das eine Simulation eines anderen Quantensystems sein. Das bedeutet, der Quantencomputer berechnet den Grundzustand z. B. eines einfachen Moleküls. Was ich persönlich jedoch als Killerapplikation für unser Projekt sehe, ist das Quantum-Machine-Learning. 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.

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.

Die ausführliche Antwort ist, dass das Projekt des Quantencomputers keine inhärente metrologische Aufgabe ist. Trotzdem ist die Metrologie natürlich eng verwandt mit der Quanteninformationsverarbeitung oder dem Quantencomputing. Wer an der Entwicklung von Atomuhren arbeitet, benutzt dabei die gleichen Technologien, die auch beim Quantencomputer eine entscheidende Rolle spielen. So setzen wir Ionenfallen sowohl bei den Uhren als auch bei den Qubits ein. Ähnliche Schnittmengen gibt es auch bei der Supraleitung – auf der einen Seite die supraleitenden Qubits, auf der anderen Seite die quantenelektrischen Normale der Metrologie. Oder nehmen Sie die Quantenradiometrie, die eng verzahnt ist mit dem photonischen Quantencomputing.

Wir arbeiten am Quantencomputer, weil wir es können. Yes, we can! Nein, im Ernst: Es gibt ganz enge Verflechtungen auf technologischer Ebene zwischen der Metrologie und dem Quantencomputing. Für mich ist ganz klar, dass sich die beiden Gebiete gegenseitig sehr gut und sehr stark befruchten. Und in der aktuellen Situation ist es zudem so, dass die PTB aufgrund ihrer Expertise gerade in den Quantentechnologien eine besondere Stellung an vorderster Front einnimmt. 

Oh ja, das ist schon so. Am Ende wird es darum gehen, die einzelnen Komponenten für einen Quantencomputer auch zu zertifizieren. Also so wie wir heute elektrische Komponenten haben oder Computeranschlüsse, müssen wir hinterher Chips charakterisieren, Schnittstellen definieren, Richtlinien aufstellen usw. Das muss alles charakterisiert und normiert werden. Das ist auch etwas, was wir an der PTB im Rahmen des Quantentechnologiezentrums machen. Dieser anwendungsbezogene Aspekt ist eng angebunden an unsere Arbeiten.

Weitere Informationen
Presseinformation der VolkswagenStiftung

Presseinformation des Niedersächsischen Ministeriums für Wissenschaft und Kultur

Ansprechpartner 

Prof. Dr. Piet Schmidt
Institute for Experimental Quantum Metrology (QUEST)
Sprecher des „Quantum Valley Lower Saxony“
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und Leibniz Universität Hannover (LUH)
Bundesallee 100
38116 Braunschweig
Telefon: (0531) 592 4700
E-Mail: piet.schmidt(at)ptb.de oder piet.schmidt(at)quantummetrology.de Web: www.quantummetrology.de