Rechnen mit Quanten

Die Physiker sprechen dabei von einer Überlagerung oder Superposition von Zuständen. Dieser Quanteneffekt zeigt sich bei winzigen Teilchen wie Atomen, Molekülen oder Elektronen und bei Photonen, den Partikeln des Lichts. Solange ein solches Teilchen unbehelligt bleibt, lässt sich bestimmten Merkmalen wie dem Spin – bildlich vorstellbar als eine Art Drehimpuls um die eigene Achse – kein fester Wert zuschreiben.

Das schafft die Möglichkeit, als grundlegende Informationseinheiten für einen Quantencomputer sogenannte Quantenbits oder kurz Qubits zu erzeugen, die sich in solche überlagerten Zustände versetzen lassen. Sie öffnen die Tür zu einer völlig neuen – stark parallelen – Form des Rechnens: Damit lässt sich durch einen Quantencomputer die korrekte Lösung einer gestellten Aufgabe unter bestimmten Bedingungen weitaus schneller aus einer Vielzahl von Möglichkeiten herausfinden als mit einem herkömmlichen, klassischen Rechner.

Um auch komplizierte Aufgaben lösen zu können, ist es erforderlich, zahlreiche Qubits miteinander zu verknüpfen – ähnlich wie in einem konventionellen Rechner, wo eine Vielzahl von Transistoren durch elektrische Leitungen miteinander verbunden sind. In einem Quantencomputer geschieht das durch ein weiteres quantenphysikalisches Phänomen: die sogenannte Verschränkung. Dieser Effekt sorgt dafür, dass Quantenobjekte wie Elektronen oder Photonen wie durch ein unsichtbares Band fest miteinander verwoben sind. Dadurch wirkt sich eine Manipulation wie die Messung einer physikalischen Eigenschaft an einem der verschränkten Teilchen unmittelbar auch auf das andere Teilchen aus. Das Phänomen, das im Widerspruch zur Alltagserfahrung steht, zeigt sich selbst über riesige Entfernungen hinweg.

Mithilfe einer Kombination aus Überlagerung und Verschränkung lassen sich die Grenzen der herkömmlichen Rechentechnik überwinden. Die seltsam wirkenden Eigenschaften zu „bändigen“ und technisch nutzbar zu machen, ist die Kunst beim Bau eines Quantencomputers. Allerdings: Obwohl diese Effekte längst verstanden sind und Wissenschaftler sie in Laborexperimenten tagtäglich realisieren, ist ihre Nutzung in einem Quantencomputer eine enorme Herausforderung.

Zum Rechnen taugliche überlagerte Zustände und miteinander verschränkte Quantenbits zu erzeugen, ist technisch aufwendig. Und die dafür verwendeten Quantengebilde sind sehr fragil. Selbst kleinste Störungen wie Erschütterungen oder elektromagnetische Felder beeinträchtigen oder zerstören die Verbindung zwischen ihnen, die deshalb meist nur für den Bruchteil einer Sekunde bestehen bleibt. Daher existiert bislang weltweit kein Quantencomputer, der in seiner Leistungsfähigkeit modernen herkömmlichen Superrechnern deutlich überlegen wäre.

Weit weg vom praktischen Nutzen

So stecken in dem IBM-Computer von Ehningen gerade einmal 27 Qubits. Anderen Quantenrechnern stehen bis zu 65 Qubits-Bausteine zur Verfügung. Doch auch das ist noch weit entfernt von dem, was Experten als Mindestanforderung für praktisch nutzbare Systeme betrachten. Frank Wilhelm-Mauch, Leiter des Peter-Grünberg-Instituts für Quantum Computing Analytics am Forschungszentrum Jülich, geht davon aus, dass dafür rund eine Million miteinander verschränkter Qubits notwendig sind. Die Grenze, ab der ein Quantencomputer zumindest für bestimmte Anwendungen einen Vorteil bieten kann, liegt nach Einschätzung von Mark Mattingly, Experte für diese Technik bei IBM, bei etwa 1000 Qubits. Diese Schwelle will der IT-Konzern aus den USA schon bald überschreiten: Ziel ist es, 2021 über 100 Qubits zu erreichen und bis Ende 2023 einen Quantencomputer zu entwickeln, der mehr als 1000 Qubits enthält.

Viele Hausaufgaben zu erledigen

Auf dem Weg zu noch leistungsfähigeren Maschinen haben die Forscher noch eine Reihe kniffliger Hausaufgaben zu erledigen. So ist bislang unklar, welche Art von Qubits sich am besten für den Bau praxistauglicher Quantenrechner am besten eignet. Zur Auswahl stehen den Physikern und Ingenieuren dafür etliche Arten von Quantenobjekten, die jedoch alle neben Vorteilen auch Tücken haben.

Der schwarz schimmernde Kasten in Ehningen enthält in seinem Kern Qubits aus winzigen supraleitenden Schaltkreisen, sogenannten Josephson-Kontakten. Darin fließen schwache elektrische Ströme widerstandslos im Kreis herum und formen so Nullen, Einsen – und in Quantenmanier beliebige Mischungen aus diesen Werten. Zum Einstellen der Quantenzustände und um die Ergebnisse von Berechnungen auszulesen, dienen Mikrowellen. Diese Technik, auf die unter anderem auch die Quantencomputer-Konstrukteure beim IBM-Konkurrenten Google setzen, ist von allen Alternativen am weitesten ausgereift. Doch sie hat gleich mehrere Schwachpunkte: Die supraleitenden Elemente sind im Vergleich zu anderen Quantenobjekten recht groß und lassen sich nur schwer zu komplexen Systemen mit Hunderten, Tausenden oder Millionen Qubits vereinen. Und sie funktionieren nur bei sehr tiefen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius. Das macht eine aufwendige und teure Kühlung erforderlich.

Etablierte Verfahren nutzen

Deshalb favorisieren die Wissenschaftler im Team um den Physiker Hendrik Bluhm am Forschungszentrum Jülich Halbleitermaterialien wie Silizium als Baustoff für die Kernelemente künftiger Quantencomputer. „Bis man Systeme mit Millionen von Qubits verwirklichen kann, ist es noch ein weiter Weg“, sagt Bluhm. Er hält es daher für entscheidend, Architekturen zu entwickeln, die sich leicht in großem Maßstab umsetzen lassen – und baut mit seinem Team auf sogenannte Halbleiter-Spin-Qubits, die Informationen im Eigendrehimpuls, dem Spin, einzelner Elektronen speichern.

Die haben aus Bluhms Sicht entscheidende Vorteile etwa gegenüber supraleitenden Systemen. So lassen sich, um die Qubits herzustellen, die bekannten Verfahren aus der etablierten Halbleiterfertigung nutzen. „Außerdem sind Halbleiter-Qubits im Vergleich zu supraleitenden Qubits weniger anfällig gegenüber Störungen von außen, beispielsweise durch Wärme oder die kosmische Hintergrundstrahlung“, betont Bluhm, der am Peter-Grünberg-Institut in Jülich sowie an der RWTH Aachen forscht.

Ein Shuttle für Elektronen

Um mit ihnen zu rechnen, werden mehrere Halbleiter-Qubits gekoppelt – und dazu ihre Elektronenspins miteinander verschränkt. Allerdings: Das gelingt nur, wenn die winzigen Teilchen sehr dicht zusammengebracht werden. Doch das ist umso schwieriger, je mehr Elektronen miteinander verbunden werden sollen. Denn damit vergrößert sich automatisch auch deren Distanz voneinander.

Das Team um Hendrik Bluhm sucht eine Lösung für dieses Problem. Die Idee der Forscher: Sie wollen die verschränkten Elektronen und damit die auf ihnen gespeicherte Information auf dem Computerchip hin- und herschieben – mit einer Art Elektronen-Shuttle. Damit, so hofft Bluhm, wird es in wenigen Jahren gelingen, eine große Zahl von Qubits gleichzeitig miteinander zu verbinden.

Fehler ausmerzen

Der wohl härteste Brocken, an dem die Forscher bei der Entwicklung von Quantencomputern noch zu beißen haben, ist die Fehleranfälligkeit der Technik. Bedingt durch die Empfindlichkeit der Quantensysteme kommt es beim Rechnen viel häufiger als in herkömmlichen Computern zu Fehlern, die sich gegenseitig verstärken und so letztlich zu falschen Ergebnissen führen können. „Die 50 oder mehr Qubits, die aktuell führende Plattformen erzielen, sind daher kaum nutzbar“, sagt der Jülicher Wissenschaftler Frank Wilhelm-Mauch. „Deshalb kommt es auf absehbare Zeit erst einmal darauf an, die Fehlerwahrscheinlichkeit zu verringern.“ Ziel ist es letztlich, dass das System eigenständig Fehler erkennt und korrigiert.

Allerdings: Die Verfahren dafür, an denen Forscherteams weltweit arbeiten, benötigen ebenfalls Qubits, Und die Zahl solcher Korrektur-Qubits ist enorm.

„Pro Qubit, das zum Rechnen dient, können bis zu 100 weitere nötig sein, um die Fehler aufzuspüren und auszumerzen“, sagt IBM-Experte Mark Mattingly. „Das lässt sich also bei der bislang erreichbaren Größe von Quantencomputern gar nicht umsetzen.“ Bei ihnen greifen die Entwickler stattdessen zu technischen Kniffen, etwa eine möglichst effektive Kühlung und eine bestmögliche Abschirmung der besonders empfindlichen Bauteile gegen störende elektrische oder Magnetfelder. Fachleute sprechen bei einem solchen Rechner von einem „Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer“ (NISQ), also quasi einer verrauschten „Light-Version“ des Quantencomputers.

Damit lässt sich das Feld bereiten für die Nutzung künftiger „fehlerkorrigierter Rechenmaschinen“. Denn etliche Marktstudien trauen der Zukunftstechnik ein enormes wirtschaftliches Gewicht zu – etwa durch heute noch undenkbare Fortschritte zum Beispiel in der Pharmaforschung, der Suche nach neuen Materialien und der Mobilität.

Clevere Verkehrsführung

„Quantencomputer können ihre einzigartigen Möglichkeiten zum Beispiel bei der Simulation chemischer Vorgänge oder der Eigenschaften einzelner Moleküle ausspielen“, sagt Mattingly. Das könnte das Aufspüren und Testen neuer Medikamentenwirkstoffe deutlich beschleunigen oder zu besseren Batterien führen. Zudem würden die neuartigen Rechner die Waffen im Kampf gegen die täglichen Staus schärfen. Staut sich der Verkehr auf einer Strecke, empfehlen Navigationssysteme bislang den meisten Autofahrern dieselbe Ausweichroute. Die Folge: Rasch kommt der Verkehr auch dort ins Stocken, erklärt Oliver Ambacher, Leiter des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF und Koordinator des Kompetenzzentrums Quantencomputing Baden-Württemberg. Mit der Berechnung, wie sich das Verhalten Tausender Autofahrer gegenseitig beeinflusst, wären selbst die schnellsten heutigen Computer viel zu lange beschäftigt. Mit einem leistungsstarken Quantencomputer hingegen ginge das blitzschnell.

Der neue Quantencomputer bei IBM in Ehningen gibt den Nutzern einen Vorgeschmack auf solche Anwendungen – und bietet ihnen eine Plattform, um passgenaue Algorithmen zu entwickeln. „Zudem geht es darum, die Hardware benutzerfreundlicher zu machen“, sagt Ambacher.

Die Erkenntnisse und Erfahrungen sollen außerdem einfließen in die Entwicklung und Bau eines Quantencomputers „made in Germany“, Denn da besteht ein deutliches Defizit: Die Wissenschaftler in Deutschland sind zwar seit Langem mit an der Spitze bei der Erforschung der physikalischen Grundlagen dieser Zukunftstechnik. Doch es gibt niemand, der Quantencomputer produziert. Auf diesem Feld sind große Unternehmen aus den USA in Front. Damit auch die deutsche Wirtschaft künftig stark vom Marktpotenzial des Quantencomputing profitiert, fordert Fraunhofer-Forscher Ambacher: „Auch wir müssen uns nun auf den Weg machen, solche Systeme zu bauen.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…