Quantencomputer:Die Welt wartet nicht

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Quantencomputer bei IBM in Ehningen, 14.07.2021. Ehningen Deutschland *** Quantum computer at IBM in Ehningen, 14 07 202

Rechnen, rechnen, rechnen: Mit Quantencomputern, hier bei IBM in Ehningen, dringt die Digitalisierung in eine neue Dimension vor.

(Foto: Florian Gaertner/imago images/photothek)

Forschung und Industrie brauchen Computer, die um ein Vielfaches schneller sind als die Superrechner von heute. Quantencomputer könnten diese Forderung erfüllen - Deutschland will sich dabei nicht erneut abhängen lassen.

Von Helmut Martin-Jung

Stabile Regale aus Metall, mehrere Meter hoch, füllen fast den gesamten Raum. Sie sind vollgestopft mit elektronischen Gerätschaften, die wiederum verbunden werden durch ein scheinbar chaotisches Gewirr verschiedenfarbiger Kabel. Ein riesiger Aufwand, der hier in einem Labor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) nur einem Zweck dient: das Allerkleinste zu beherrschen. Die Welt des Kleinen ist ja längst entscheidend für das Leben der industrialisierten Menschheit. Die Halbleiter, die in Laptops oder Smartphones stecken, enthalten Gebilde, die bloß noch wenige Nanometer breit sind. Auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels befinden sich Milliarden (!) davon.

Doch selbst das ist nicht mehr genug. Die Welt, vor allem Forschung und Industrie, giert nach immer mehr Rechenleistung. Wie sich ein Eiweiß faltet oder welche Route für einen Lieferdienst optimal wäre, die moderne Finanzwelt - all das ist so komplex, dass daran selbst die schnellsten Supercomputer der Welt scheitern. Deshalb suchen die Forscher am MPQ in Garching bei München und viele andere nach neuen Wegen, wie sich besonders rechenintensive Anforderungen schneller und auch energieeffizienter erledigen lassen.

Die Hoffnungen richten sich auf Quantencomputer. Die rechnen nicht bloß wie die Chips von heute mit ihren Bits digital, also mit nur zwei Zuständen, 1 und 0. Die Qubits eines Quantencomputers rechnen auch mit Zuständen dazwischen, also analog. Berechnungen, für die ein Supercomputer mit herkömmlichen Chips Jahre oder Jahrzehnte bräuchte, schaffen sie in einem Wimpernschlag. Oder vielmehr: würden sie schaffen. Denn es gibt zwar schon lauffähige Quantencomputer, doch die Zahl ihrer Qubits reicht erst für wenige Aufgaben. Ihre Zahl massiv zu erhöhen, von jetzt höchstens um die 100 auf einige Hunderttausend, das ist die große Herausforderung.

Noch ist aber gar nicht klar, welche Technologie sich eigentlich durchsetzen wird bei den möglichen Wundermaschinen. Während Google und IBM mit heruntergekühlten Metallen arbeiten, verwenden andere Ionen und wieder andere sogenannte Neutral-Atome.

Zurück im Labor in Garching. Die Gruppe um den weltweit renommierten Physiker Immanuel Bloch fängt hier mit Laserstrahlen einzelne Atome ein, um danach etwas mit ihnen anstellen zu können. Aber wie fängt man ein Atom? Die Forscher arbeiten mit Strontium. Ein kleiner Block des Metalls wird auf etwa 600 Grad Celsius erhitzt. Einzelne Atome des Metalls lösen sich daraufhin und fliegen durch einen winzigen Spalt in eine Vakuumkammer.

Da ist ein Gas, das keines sein dürfte

Nun kommt die Technik ins Spiel, die einer der Auslöser war für die Gründung des Instituts: Laser. Zunächst bremst ein Laserstrahl, also ein Strom von Lichtteilchen, das Strontium-Atom so stark ab, dass es sich abkühlt bis auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius oder null Grad Kelvin). Zudem leuchten aus allen sechs Richtungen Laser auf das Atom und halten es mit ihrem Teilchenstrom fest. So entsteht etwas Ungewöhnliches: ein Gas, das eigentlich keines sein dürfte - bei dieser Temperatur müsste es längst fest sein.

Das alles aber ist erst die Grundvoraussetzung für das, was jetzt kommt. Denn zusammen mit anderen Atomen wird es in eine gitterartige optische Struktur gebracht, "wie Eier in einem Karton", erklärt der MPQ-Physiker Sebastian Blatt. Der nächste Schritt ist dann, Wechselwirkungen zwischen den Atomen anzustoßen. All das spielt sich ab auf kleinstem Raum in der Vakuumkammer: "Das Wesentliche passiert auf zehn Mikrometern", sagt Blatts Kollege Stephan Dürr, auch er Physiker. Zehn Mikrometer, das ist rund zehnmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Ein universeller Quantencomputer ist das noch nicht. Vielmehr geht es hier darum, Vorgänge auf der Quantenebene zu simulieren. Man spielt das, was man wissen will, sozusagen nach und beobachtet, was passiert. Vorteil dieser Methode: Spezielle Fragestellungen etwa zum Verhalten von Feststoffen lassen sich damit heute schon beantworten - der universelle Quantencomputer ist dagegen noch relativ weit weg.

Stephan Dürr beschreitet in seinem Labor einen anderen Weg, er versucht, aus Atomen sogenannte Logik-Gatter zu bauen - vergleichbar mit einem herkömmlichen Computer. Noch kauen Dürr und sein Team aber an der Frage, wie sich mehrere Gatter hintereinanderschalten lassen - und das nahezu fehlerfrei. "Die heutigen Gatter erfüllen das noch nicht", sagt Dürr. Dabei wird in Labors wie diesem ohnehin schon mit unfassbarer Präzision gearbeitet. Ein Superlativ jagt hier den nächsten. Die Laser, die auf den Tischen montiert sind, ermöglichen auch unvorstellbar präzise Atomuhren. Wären sie schon zu Beginn des Universums verfügbar gewesen, wären sie in den etwa 13,7 Milliarden Jahren seither nur eine Sekunde falsch gegangen.

Die ganzen Gerätschaften laufen meist durch, damit das Klima im Labor möglichst gleich bleibt - die Laser und Spiegel sind ja extrem genau ausgerichtet. Der optische Tisch, auf dem die Vakuumkammer und die Laser aufgeschraubt sind - "alles Handarbeit", sagt Blatt - ist meist mit entfernbaren Abdeckungen oder Jalousien verschlossen, damit Staub die vielen Linsen und Spiegel nicht zu sehr verschmutzen kann.

Und was soll das alles einmal werden? Schließlich haben Forschungseinrichtungen wie das MPQ viel Geld bekommen, damit Deutschland technologisch nicht abgehängt wird - so etwa wie bei Internet-Suchmaschinen oder Cloud-Diensten geschehen. "Ein sehr viel kompakteres System" werde man in einigen Jahren zur Verfügung stellen können, sagt Blatt, "aber noch nichts, das man in ein Rechenzentrum stellen könnte".

Reicht das? Reimund Neugebauer bewegt diese Frage sehr. Neugebauer, ausgebildeter Ingenieur, ist Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft. Jener wissenschaftlichen Einrichtung also, die sich der Frage verschrieben hat, wie sich technologische Entwicklungen, Ergebnisse der Grundlagenforschung, in die praktische Anwendung bringen lassen. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat sich mit dem MPQ, der Ludwig-Maximilians- und der Technischen Universität München sowie der Bayerischen Akademie der Wissenschaften zum Munich Quantum Valley zusammengeschlossen.

"Wir müssen selbst einen Quantencomputer bauen"

Das Ziel ist klar, es steckt schon im Namen: Man will Anschluss finden ans Silicon Valley, das legendäre Tal der Elektronikindustrie im Westen der USA. "Wir müssen selbst einen Quantencomputer bauen", sagt Neugebauer, "der Wettbewerb um die richtige Technologie ist noch nicht entschieden." Es geht also noch um Grundlagenforschung, und da sieht Neugebauer Deutschland und Europa durchaus auf Augenhöhe mit den USA oder China. Aber schnell muss es gehen, sagt er, "die Welt wartet nicht".

Nun ist es aber beim Rechnen mit Qubits statt Bits noch lange nicht mit der Hardware, also dem Rechner selbst, getan. Deshalb sagt Neugebauer auch: "Wir müssen lernen, wie wir Quanten-Algorithmen programmieren, müssen uns softwaremäßig vorbereiten." So sehr er einerseits für die Souveränität Deutschlands und Europas wirbt, die Fraunhofer-Gesellschaft hat andererseits doch einen Vertrag mit IBM geschlossen, einer Tochter eines amerikanischen Unternehmens also. Seit einem Jahr steht ein System One von IBM in einem speziell ausgestatteten Rechenzentrum im schwäbischen Ehningen - ein funktionierender Quantencomputer mit 27 Qubits.

Während also ein eigenes System entwickelt wird, lernen Forscher, aber auch Experten und Expertinnen aus der Industrie bereits, mit der neuen Technologie umzugehen. Der Autobauer Daimler, der Energieversorger Eon, das Teilchen-Forschungszentrum Cern - sie alle haben bereits Interesse bekundet oder auch schon erste Projekte mit System One ausprobiert. Den Betrieb des Quantencomputers übernehmen dabei Fachleute von IBM, sagt Martin Jetter, Vice President und Chairman Europe von IBM. Der Vertrag mit IBM enthalte auch ein Upgrade auf die nächste Version. Und die Fraunhofer-Gesellschaft ist darüber hinaus berechtigt, auch auf die anderen mehr als 30 Quantencomputer zuzugreifen, die IBM in den USA betreibt.

Es geht also stetig voran? Manche Experten warnen auch davor, die Erwartungen allzu sehr zu schüren. Ignacio Cirac, auch er ein weltweit renommierter Wissenschaftler, leitet die Theorie-Abteilung im Garchinger MPQ. "Der extreme Hype ist gefährlich", sagt er. "Es wird versprochen, dass alle Probleme der Welt gelöst werden, aber die Leute werden in fünf bis zehn Jahren feststellen, dass dem nicht so ist." Dann könnten Forschungsgelder wieder knapp werden - obwohl die Technologie in vielen Feldern tatsächlich schon Großes leisten könne, etwa bei der Simulation neuer Materialien, in der Chemie und bei einigen physikalischen Problemen. Er und sein Team arbeiten auch daran herauszufinden, wo Quantencomputer keinen Mehrwert bringen. "Es ist fast wie Versuch und Irrtum", sagt Cirac, "wir können ein Gerät bauen, das für bestimmte Aufgaben sehr viel schneller ist, aber mehr wissen wir noch nicht." Das könne schnell gehen - oder eben auch nicht.

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