Grenzenlose Möglichkeiten

Quantencomputer werden unsere Welt revolutionieren, heißt es. Ihren Anfang nahmen sie gewissermaßen an der Förde: Der Kieler Nobelpreisträger Max Planck gilt als Begründer der Quantenphysik, heute werden an der CAU Quantenmaterialien erforscht. Die Initiative QuantumBay will in Kiel jetzt die Anwendung von Quantencomputern vorantreiben.

Symbolbild: komplexer virtueller Würfel im digitalen Raum
© iStock/hh5800

Im Quantencomputer wird das Bit, die kleinste Informationseinheit heutiger Prozessoren, zum Quantenbit, kurz Qubit. »Während ein Bit entweder den Zustand 0 oder 1 einnimmt, kann ein Qubit auch alle möglichen Kombinationen der beiden eingehen. Wenn eine spezielle Art dieser Überlagerung bei mehreren Qubits auftritt, sind die Möglichkeiten grenzenlos«, erklärt Physiker Kai Rossnagel einen der ungewöhnlichen quantenphysikalischen Effekte, mit denen die neuartigen, extrem leistungsfähigen Computer arbeiten. Damit lassen sich zum Beispiel komplexe Prozesse in Materialien genauer berechnen, große Datenbanken schneller durchsuchen oder absolut sichere Verschlüsselungstechniken entwickeln.

Vom Bit zum Qubit

Der Professor am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik ist einer der Sprecher des Forschungsschwerpunkts KiNSIS und zusammen mit Kolleginnen und Kollegen Teil der Kieler Initiative QuantumBay. »Das ganze Potenzial von Quantencomputern können wir noch gar nicht abschätzen, ähnlich wie anfangs bei Smartphones oder dem Internet. Aber Fakt ist: Sie werden kommen«, sagt Henning Rabe, einer der Gründer der Initiative. Früher hat der Betriebswissenschaftler Unternehmen beraten, jetzt will er mit dem Netzwerk aus Wissenschaft und Wirtschaft dazu beitragen, Quantencomputer in die Anwendung zu bringen. Sie könnten komplexe Abhängigkeiten aus großen Datenmengen in Medizin, Klima oder Logistik ultraschnell berechnen und zum Beispiel Klimaentwicklungen präziser vorhersagen.

Das Potenzial hat auch die Bundesregierung erkannt und ein Förderprogramm für die Entwicklung der nötigen neuen Hard- und Software für Quantencomputer aufgelegt.

Hochkomplexe Zusammenhänge können zwar auch heutige Hochleistungscomputer schon modellieren, doch ihre Berechnungen laufen nacheinander ab und würden für manche Probleme Jahre brauchen. Quantencomputer benötigen manchmal nur einen Bruchteil der Zeit, weil sie parallel arbeiten und Quanteneffekte ausnutzen. »Um Entscheidungen zu treffen, müssen wir Phänomene in Real Time verstehen«, betont Rabe. Um die quirligen Qubits für Berechnungen zu nutzen, werden sie »beruhigt« und nahezu auf die tiefstmögliche Temperatur von minus 273,15 Grad Celsius gekühlt. Das braucht Platz. Quantencomputer, wie sie Firmen wie IBM und Google schon bauen, sind daher noch sehr groß. »Der aktuelle technische Stand ist vergleichbar mit dem in den 1940er Jahren, als ein Computer noch eine ganze Turnhalle gefüllt hat«, sagt Rossnagel.

»Sensibelchen« robuster machen

Ein weiteres Problem: Qubits sind »Sensibelchen« – äußere Einflüsse können ihren Zustand und damit ihre Berechnungen leicht zerstören. Zurzeit werden unterschiedliche Konzepte diskutiert, wie leistungsfähige Quantencomputer aussehen können. Ein Ansatz besteht darin, möglichst viele Qubits zur gegenseitigen Absicherung zu nutzen. Rossnagel und einige KiNSIS-Kolleginnen und -Kollegen wollen stattdessen unempfindlichere Qubits entwickeln. Sie erforschen Quantenmaterialien mit ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften. Zwischen den zahlreichen Elektronen in ihrem Inneren herrschen komplexe Wechselwirkungen, weshalb sie sich völlig anders verhalten als herkömmliche Materialien. »Wir arbeiten mit sogenannten topologischen Materialien und Strukturen, die sehr robust sind. Ihre Elektronen hängen eng zusammen und reißen nicht so leicht auseinander«, erklärt Rossnagel. Mit modernsten Hochleistungsinstrumenten wie im Ruprecht-Haensel-Labor, einer gemeinsamen Einrichtung der CAU und des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, blicken die Forschenden ins Innere solcher Materialien und untersuchen zum Beispiel die ultraschnellen Bewegungen der Elektronen.

Forschung treibt aber nicht nur die Entwicklung von Quantencomputern voran, sondern sie profitiert auch selbst von diesem Werkzeug. »Mit Quantencomputern könnten wir komplexe Materialien mit ganz neuen Eigenschaften entwerfen – ein Grund, warum dieses Gebiet so unglaublich spannend ist«, so Rossnagel. Werden Quantencomputer auch irgendwann den PC zu Hause ersetzen, oder sind sie nur etwas für Labore und Großfirmen? Rabe schmunzelt. »Da wir uns auch vieles andere nicht vorstellen konnten, würde ich nie ‚nie‘ sagen.«

Autorin: Julia Siekmann

Die Kieler Initiative QuantumBay

Ziel der 2021 privat gestarteten Initiative QuantumBay ist ein Quantencomputer-Zentrum an der Förde mit dem Fokus auf Anwendung, von der Aus- und Weiterbildung von Programmierfachleuten bis hin zur Entwicklung eigener Lösungen. Gespräche mit interessierten Partnerinnen und Partnern aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik laufen. Fachliche Kompetenz bringen unter anderem Mitglieder des Forschungsschwerpunkts KiNSIS aus Physik, Informatik und Lebenswissenschaften ein. (jus)

www.quantumbay.eu

1. World Quantum Day

Am 14. April 2022, dem ersten World Quantum Day, feiern Forschende weltweit Quantentechnologien mit zahlreichen Veranstaltungen. Kai Rossnagel, Professor an der CAU und am DESY, organisiert mit Partnerinnen und Partnern aus Norddeutschland einen öffentlichen Vortrag zur Quantenphysik am DESY. (jus)

worldquantumday.org

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