Physikalisch Technische Bundesanstalt: So will Niedersachsen den „Sprung in die Weltspitze der Quantencomputer-Entwicklung“ schaffen
Ein Blick in die sogenannte Ionenfalle.
Foto: via REUTERSBerlin. Der Takt unserer Zeit wird in Braunschweig vorgegeben. Normale Quarzuhren gehen im Monat um einige Sekunden falsch, heutige Atomuhren weichen dagegen erst nach 100 Millionen Jahren um eine Sekunde von der Idealzeit ab.
Gleich vier Atomuhren laufen bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), inzwischen arbeiten die Wissenschaftler an der nächsten Generation, die noch hundertmal genauer geht. Herzstück dieser optischen Uhren ist eine Ionenfalle, in der geladene Atome mit einem elektromagnetischen Feld gefangen und mit Hilfe von Lasern kontrolliert werden.
Für den Laien sehen die Fallen aus wie kleine Computerchips auf einer vergoldeten Platine – und genau so sollen sie künftig zusätzlich auch genutzt werden. „Wir haben bei der Arbeit an optischen Uhren viel Technologie entwickelt, die wir nun zur Konstruktion eines Quantencomputers nutzen“, sagt Piet Schmidt, Direktor des Quest-Institutes an der PTB.
Schon nach seiner Promotion hatte er 2004 in Colorado beim NIST, dem US-Pendant der PTB, an der Entwicklung optischer Uhren gearbeitet. Der Leiter des Projektes war David Wineland, der 2012 für seine Arbeit an Ionenfallen den Physiknobelpreis erhalten hat.
Nun soll Schmidt mit seinem Wissen dazu beitragen, dass Niedersachsen den „Sprung in die Weltspitze der Quantencomputer-Entwicklung“ schafft – das zumindest hofft PTB-Präsident Joachim Ullrich. Mit kräftiger Unterstützung der Landesregierung hat sich dazu die PTB mit der Leibniz-Universität Hannover, der TU Braunschweig, dem Albert-Einstein-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt zusammengetan.
Sie haben vor einem Jahr den Forschungsverbund „Quantum Valley Lower Saxony“ (QVLS) gegründet. Das Ziel der Allianz: Bis 2025 soll der Quantencomputer QVLS-Q1 mit 50 Qubits in Betrieb genommen werden.
„Windows für Quantencomputer“
Ein erster Prototyp läuft im Braunschweiger Quest-Institut, dem Center für Quantum Engineering and Space-Time Research, bereits. An der Labortür kleben eine ganze Reihe an gelben und roten Warnschildern wie: „Zutritt verboten – Klasse 4 – Pulslaser in Betrieb“. Der Raum ist so zugestellt mit Apparaturen, dass man sich kaum bewegen kann.
Im Zentrum befindet sich ein großer Tisch voller kleiner schwarzer Geräte mit Linsen und Spiegeln, die teilweise rot leuchten. „Das sind aufwendig justierte Lasersysteme, mit denen wir die Qubits kühlen, initialisieren und auslesen“, sagt Schmidt. Im Zentrum befindet sich ein etwa ein Meter hoher Zylinder, von dem jedoch nichts zu erkennen ist, da er komplett in Alufolie eingewickelt ist – die Vakuumapparatur in der der Ionenfallen-Chip steckt.
Dahinter sitzt ein Mitarbeiter vor einem Bildschirm. „Das hier ist das Windows für Quantencomputer“, sagt Schmidt. Tatsächlich sieht das Programm mit den grau-weißen Fenstern aus wie eine veraltete Windows-Version. Eine Besonderheit gibt es noch bei der schwarzen Tastatur: Einige der F-Tasten am oberen Rand sind mit kleinen weißen Aufklebern markiert: „Ion“ steht beispielsweise über der F5-Taste, „KICK“ über F10. „Um den Quantencomputer in Gang zu bringen, muss man zwei Mal F5 drücken“, erzählt Schmidt. Damit wird das Quantenregister geladen und es befinden sich zwei Ionen in der Falle. Mit der F10-Taste kann man sie dann wieder herauskicken.
Die Ionen können zwei Zustände annehmen, sie werden dann hell oder dunkel angezeigt. Auf dem Bildschirm sieht man sie in einem Fenster zudem als Datenpunkte, die sich in einer roten Kurve von oben und einer blauen Kurve von unten aufeinander zu bewegen und irgendwann treffen. „Dort wo die Linien sich kreuzen, sind die Qubits vollständig verschränkt“, sagt Schmidt.
Einstein nannte es „spukhafte Fernwirkung“
Genau um diesen Zustand geht es. Denn diese Verschränkung ist einer der besonderen Effekte der Quantenphysik, die mit unserer Erfahrung schwer zu begreifen sind. „Sobald ich ein Qubit messe, weiß ich auch, in welchem Zustand das andere ist“, sagt Schmidt. „Spukhafte Fernwirkung“, hat Albert Einstein dieses Phänomen einst genannt.
Diese Besonderheit macht man sich bei Quantencomputern zu Nutze: Mit den verschränkten Qubits können verschiedene Rechnungen parallel durchgeführt werden können, statt hintereinander wie mit herkömmlichen Computern.
Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg: Die derzeitigen Quantencomputer können noch kaum praxisrelevante Berechnungen durchführen. Der Pharmakonzern Boehringer Ingelheim will sie beispielsweise nutzen, um Moleküle zu simulieren. „Pharmarelevant wird es bei Strukturen mit 60, 70 oder 80 Atomen, wir reden also von 1700 und mehr Elektronen“, sagt Technikchef Clemens Utschig-Utschig. Und ein Elektron entspreche einem Qubit.
Der in diesem Jahr von IBM in Deutschland installierte und hierzulande bisher leistungsfähigste Rechner verfügt jedoch nur über 27 Qubits. Die niedersächsischen Wissenschaftler arbeiten in ihrer Ionenfalle derzeit sogar nur mit zwei Qubits.
Doch diesen Rückstand sehen sie hier nicht als großes Problem. „Wenn man ein Zwei-Qubit-Gatter ausführen kann, hat man die fundamentale Grundlage, daraus kann man alles machen“, sagt Christian Ospelkaus, einer der drei Leiter des QVLS-Q1-Projekts.
Quantencomputer mit Ionenfallen müssen nicht so extrem gekühlt werden
Zudem ist die Zahl der Qubits bei Quantencomputern längst nicht alles. Denn die Systeme sind extrem fehleranfällig und Rechenoperationen können nur in kurzen Zeiträumen durchgeführt werden, da die Verschränkung der Qubits oft nur für Mikrosekunden besteht.
Gegenüber den derzeit dominierenden supraleitenden Quantenprozessoren, die IBM, Google oder das europäische Quantenflaggschiff OpenSuperQ in Jülich nutzen, könnten Ionenfallen einige Vorteile haben: Sie müssen nicht so extrem gekühlt werden und haben deutlich geringere Fehlerraten. „Unsere Quantengatter sind um den Faktor Zehn besser als beim Google-Computer, der vor zwei Jahren Furore gemacht hat“, sagt Ospelkaus. Der US-Konzern hatte damals zum ersten Mal die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber herkömmlichen Rechnern demonstriert.
Trotzdem sollen und müssen nun auch die Ionenfänger die Qubit-Zahlen steigern, denn für viele Anwendungsfälle aus der Praxis, wie die Simulation von Molekülen, werden sogar Qubits im vier- bis fünfstelligen Bereich benötigt. In seinem Labor am Hannover Institute of Technology (HITec) der Leibniz-Universität demonstriert Ospelkaus, wie die Zahl der Qubits zunächst bis 2025 auf 50 gesteigert werden soll. Er zeigt dazu die Skizze eines Ionenfallen-Chips, auf dem ein rechteckiges Gitter zu sehen ist. Man könne sich das wie einen Güterbahnhof vorstellen, sagt Ospelkaus.
Die Linien sind die Gleise und eines davon wird zunächst mit Ionen befüllt. Indem man die Spannung an der Oberfläche leicht verändert, können dann einzelne Ionen in andere Sektoren des Chips verschoben werden. „So kann man sich immer zwei Qubits herausholen, führt damit eine Rechenoperation aus und schiebt sie dann zurück in den Speicher“.
Das Register, in dem mit zwei Qubits Rechenoperationen durchgeführt werden, sei schon vorhanden. „Den ganzen Verschiebebahnhof dazu entwickeln wir jetzt“, sagt Ospelkaus. Die nötigen Chipdesigns lägen schon vor. Die PTB verfügt zudem über einen Reinraum und die nötigen Spezialmaschinen, um selbst entsprechende Chips herzustellen.
Eine Wissenschaftliche Mitarbeiterin zeigt Mikrochips für Quantenprozessoren in einem Reinraumlabor der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB).
Foto: dpaDenn sein Ziel ist es, so viel wie möglich auf dem Chip zu integrieren. Dazu hat er eine Methode entwickelt, um die Qubit-Gatter mit Mikrowellen zu kontrollieren. Bislang wurden dazu vor allem Laser genutzt. Doch die kommen beim QVLS-Q1 nur noch zum Kühlen und Auslesen zum Einsatz, so will Ospelkaus Aufwand und Komplexität des Systems reduzieren. In anderthalb bis zwei Jahren soll eine erste Version des Quantencomputers hier im Laborraum 3 stehen.
Parallel dazu wird noch ein zweiter Quantencomputer entwickelt. Im Dezember kam der Förderbescheid des Bundesforschungsministeriums für das Projekt „Atiq“ mit einem Volumen von 44,5 Millionen Euro. Die Niedersachsen kooperieren dabei unter anderem mit Wissenschaftlerinnen und Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universität Siegen. „Damit sind die führenden Ionenfänger-Gruppen aus Deutschland zusammen“, sagt Ospelkaus. Dadurch würden sich viele neue Querverbindungen ergeben.
Das Projekt ist Teil des Zwei-Milliarden-Euro-Programms der Bundesregierung zum Bau von Quantencomputern. Die eine Hälfte wird über das BMBF verteilt, dass insgesamt neun Projekte zur Entwicklung von Quantencomputer-Demonstrationsaufbauten fördern will. Den anderen Teil stellt das Bundeswirtschaftsministerium zur Verfügung, sie werden über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) verteilt, dass ebenfalls kürzlich Ausschreibungen für Demonstrator-Systeme gestartet hat.
Im Rahmen von Atiq sollen drei „Demonstratormaschinen“ entstehen, in Hannover, Mainz und Siegen. „Wir verstärken dabei die Integration der Photonik“, sagt Ospelkaus. Um die Quantengatter zu präparieren und zu kontrollieren, werden Laserstrahlen genutzt. Die wollen die Wissenschaftler nun mit auf den Chip integrieren. Das soll es ermöglichen, die Quantendemonstratoren von zunächst 10 auf schließlich mehr als 100 Qubits hochzuskalieren.