Die Komplexität reduzieren

0 oder 1, auf diesem einfachen Prinzip ist ¨C salopp gesagt ¨C unsere digitale Informationsgesellschaft aufgebaut. Doch was ist, wenn es neben diesen beiden Polen noch weitere M?glichkeiten gibt, die gleichzeitig existieren? Und was ist, wenn sich daraus eine regelrechte Welle von unterschiedlichen Zust?nden entwickelt, so dass komplexe Informationen viel schneller verarbeitet werden k?nnen?

Genau diese Aussicht, die bisherigen Muster der Informationsverarbeitung zu durchbrechen, macht die Quantenphysik zu einem Forschungsgebiet, in das CEOs von Grossfirmen und theoretische Grundlagenforschende gleichermassen grosse Hoffnungen setzen. Denn w¨¹rde die Vision tats?chlich Realit?t, dass Computer den Gesetzm?ssigkeiten der Quantenmechanik gehorchen, w¨¹rde sich eine T¨¹r zu v?llig neuen Anwendungen ?ffnen. Zum Beispiel liesse sich mit einer solchen Wundermaschine die Wirkungsweise von Proteinen in massiv k¨¹rzerer Zeit berechnen, als dies mit einem herk?mmlichen Rechner je m?glich sein wird. Und das wiederum w¨¹rde der Entwicklung von neuen Medikamenten ungeahnten Schub verleihen.

Ein steiniger Weg

Es sind vielversprechende Aussichten, und es ist nachvollziehbar, dass die Quantenphysik heute gerade deswegen weit ¨¹ber das eigentliche Fachgebiet hinaus fasziniert. Doch der Weg hin zum Quantencomputer, der Alltagsfragen beantworten kann, ist steinig und l?nger, als die meisten wahrhaben wollen. ?Nicht Jahre, sondern eher Jahrzehnte d¨¹rften noch ins Land ziehen, bis es so weit ist?, meint Jonathan Home, Professor f¨¹r Experimentelle Quantenoptik und Photonik an der ETH Z¨¹rich.

Dabei geh?rt er zu denjenigen, die in einem Bereich arbeiten, in dem die Quantenforschung vergleichsweise weit fortgeschritten ist. Home nutzt einzelne Atome als sogenannte Qubits, Grundtr?ger der Information, mit denen Quantencomputer rechnen. Beryllium- und Calcium-Atome h?lt er in speziellen elektrischen Fallen gefangen und manipuliert sie dann nach den Gesetzm?ssigkeiten der Quantenmechanik mit Laserlicht. ?Atome sind wunderbare Systeme f¨¹r die Informationsverarbeitung, weil wir sie sehr gut isolieren k?nnen und weil sie ¨C sofern sie isoliert bleiben ¨C Quanteninformationen f¨¹r einige Sekunden oder sogar Minuten speichern k?nnen.?

Die Crux ist: Um die Information weiterverarbeiten zu k?nnen, muss man irgendwann die fragilen Quantenobjekte wieder mit der klassischen Alltagswelt verbinden. Und bei diesem Schritt k?nnen bereits kleinste Unregelm?ssigkeiten das ganze System korrumpieren. Wie l?sst sich diese Fehleranf?lligkeit minimieren und gleichzeitig die Zahl der Qubits, mit denen gerechnet wird, erh?hen?

Robuster und einfacher

Ein naheliegender Ansatz ist, die Systeme redundant zu bauen, also mehrere so genannte physikalische Qubits zu einem logischen Qubit zu verkn¨¹pfen. Doch das ist eine zweischneidige L?sung: Durch die Redundanz wird das System im Prinzip zwar stabiler. Doch die Komplexit?t der Anlage steigt gleichzeitig rasant an ¨C und damit wiederum die Fehleranf?lligkeit.  

Dazu braucht es nicht nur einen grossen Aufwand an hochkar?tiger Technik zur Steuerung und viel Know-how in Ingenieurtechnik, sondern auch ein besseres Verst?ndnis der physikalischen Zusammenh?nge. Die Entwicklung von Quantencomputern habe bereits heute einen konkreten Nutzen, auch wenn man mit den heutigen Anlagen noch lange keine Proteinstrukturen untersuchen k?nne, ist Home ¨¹berzeugt. ?Unsere Experimente sind letztlich ein H?rtetest f¨¹r die physikalischen Theorien. Und wir gewinnen dank ihnen neue Einsichten, wie die Quantenwelt funktioniert.?

Eine St?rke der ETH Z¨¹rich sei dabei, dass die Forschenden an ganz unterschiedlichen Ans?tzen arbeiten. Denn die sogenannten Ionenfallen, mit denen Home arbeitet, sind nur ein m?glicher Ansatz, der zum Durchbruch f¨¹hren k?nnte. Auch supraleitende Schaltkreise beispielsweise gelten als heisse Kandidaten. ?Es ist ziemlich einmalig, dass wir an unserer Hochschule so viele verschiedene Ans?tze parallel verfolgen k?nnen?, findet Home.

Hochspezialisierte Infrastruktur

Wie auch seine Kolleginnen und Kollegen setzt Home grosse Hoffnungen in das geplante Physikgeb?ude am Standort H?nggerberg, das durch eine Donation von Martin Haefner erm?glicht wurde. In hochspezialisierten Labors, die besonders gut gegen St?rungen von aussen gesch¨¹tzt sind, wollen die Quantenwissenschaftler die Grenzen der Forschung weiter verschieben. Dabei werden sie auch Ideen nachgehen, die heute noch in den Kinderschuhen stecken.

Ein m?glicher neuer Ansatz sind beispielsweise Halbleitermaterialien, in denen sich die Elektronen ohne Einfluss der Gitterstruktur bewegen k?nnen. Dabei sollen die quantenmechanischen Eigenschaften dieser freien Elektronen gezielt zur Informationsverarbeitung ausgenutzt werden. ?Allerdings m¨¹ssen die Halbleiter daf¨¹r extrem rein sein?, h?lt Werner Wegscheider fest, der als Professor f¨¹r Festk?rperphysik solche speziellen Materialien herstellt. In seinen Vakuumkammern baut er die Halbleiter massgeschneidert Atom f¨¹r Atom auf. ?Wir stellen die weltweit reinsten Halbleiter her?, erkl?rt er mit Stolz.

Dabei stossen die Forschenden mitunter auf v?llig neue Effekte: K¨¹hlt man solche Halbleiter auf sehr tiefe Temperaturen ab und setzt sie einem starken Magnetfeld aus, kondensieren die freien Elektronen zu einem Quasi-Teilchen. Sie verhalten sich dann als Kollektiv wie ein einzelnes Teilchen und lassen sich mathematisch auch so beschreiben. Die Vermutung liegt nahe, dass solche topologischen Quantensysteme st?rungsresistenter sind als andere Quantenobjekte. Genau das macht sie zu interessanten Kandidaten, um die Fehleranf?lligkeit zu reduzieren.

Der Aufwand ist gerechtfertigt

Gerade bei den topologischen Quantensystemen l?sst sich sch?n zeigen, wie sich Theorie und Experiment in der Physik gegenseitig befruchten. Der grundlegende Quanten-Hall-Effekt, auf dem diese Systeme basieren, wurde experimentell entdeckt. In einem zweiten Schritt gelang es dann, diesen Effekt theoretisch zu beschreiben. Aus der Theorie heraus liessen sich dann wiederum die topologischen Zust?nde voraussagen, in die die Forschenden nun so grosse Hoffnungen setzen. Ob diese Zust?nde in der Praxis tats?chlich so existieren wie von der Theorie vorausgesagt, wurde bisher allerdings noch nicht experimentell verifiziert. Es k?nnte gut sein, dass die Experimentalphysiker den Ball schon bald wieder zur¨¹ckspielen werden.

Auch Wegscheider ist ¨¹berzeugt, dass es noch eine ganze Weile dauern wird, bis ein Quantencomputer n¨¹tzliche Probleme ausserhalb der Quantenphysik l?sen kann. ?Vor drei Jahren war ich noch skeptisch, doch inzwischen bin ich ziemlich sicher, dass das gehen wird?, meint er.

Welcher Ansatz sich letztlich durchsetzen wird, ist heute noch offen. Vielleicht liegt die L?sung auch darin, verschiedene Ans?tze miteinander zu kombinieren, also beispielsweise Halbleiter mit supraleitenden Schaltkreisen zu verbinden. ?Wenn man diese beiden Technologien zusammenf¨¹hrt, dann entstehen pl?tzlich Quasi-Teilchen, so genannte Majorana-Fermionen, die vermutlich ebenfalls weniger fehleranf?llig sind?, meint Wegscheider.

An der Verbindung von unterschiedlichen Quantensystemen arbeitet auch Yiwen Chu, Assistenzprofessorin f¨¹r hybride Quantensysteme. ?Es gibt eine ganze Reihe von Quantenobjekten wie Photonen, Ionen oder eben supraleitende Schaltkreise. Alle haben ihre spezifischen St?rken, aber auch ihre Nachteile?, erkl?rt sie. ?Die Frage ist nun: Wie verbinden wir diese Elemente, damit wir ihre St?rken kombinieren k?nnen??

Die L¨¹cke ¨¹berbr¨¹cken

Als Vorbild dienen ihr die klassischen Computer. Dort werden Informationen beispielsweise von Silizium-Prozessoren verarbeitet und von Glasfasern transportiert. In Quantensystemen k?nnten supraleitende Schaltkreise die Informationen verarbeiten und Photonen sie ¨¹bertragen. ?Doch leider zeigt sich, dass die beiden Quantenobjekte einander nicht so gut verstehen?, sagt Chu. Es braucht einen Vermittler, der die L¨¹cke ¨¹berbr¨¹ckt. Ein m?glicher Kandidat, den Chu mit ihrer Gruppe n?her untersucht, sind kleine Kristalle, die sich als mechanische Objekte ¨¹ber akustische Schwingungen mit beiden Seiten verst?ndigen.

Gleichzeitig stellt sich die Frage, ob diese Kristalle selbst nicht auch Quanteninformationen speichern und verarbeiten k?nnten. ?Da die Kristalle mit akustischen Schwingungen arbeiten, die viel langsamer sind als Lichtwellen, k?nnen wir mit ihnen kleinere Qubits bauen?, erl?utert die Physikerin. Dabei geht es ihr nicht prim?r darum, m?glichst viele Qubits auf einer bestimmten Fl?che unterzubringen. Der Vorteil ist vielmehr, dass die Kristalle sich leichter voneinander isolieren lassen als beispielsweise supraleitende Schaltkreise, was ungewollten Informationsverlust verhindert. Und das wiederum w¨¹rde helfen, die Fehleranf?lligkeit zu reduzieren. Die gr?sste Herausforderung ist, dass die Systeme technisch immer komplexer werden, je mehr Qubits man miteinander verbindet.

Eine reine Ingenieuraufgabe sei die Entwicklung von Quantencomputern dennoch nicht. ?Es gibt auch viele ungekl?rte physikalische Fragen.? Eine davon ist beispielsweise, ob es zwischen der klassischen Welt und der Quantenwelt einen kontinuierlichen oder einen abrupten ?bergang gibt. ?Wir wissen die Antwort noch nicht definitiv?, meint Chu. ?Aber wie auch immer sie lautet: F¨¹r uns Physikerinnen und Physiker bleibt die Sache in beiden F?llen sehr spannend.?