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Reportage:Ein Quantum Natur

In Innsbruck hat Rainer Blatt, Mitglied des Kuratoriums der Lindauer Tagung, die Quantenforschung vorangetrieben. Auch die künftige kommerzielle Nutzung haben Blatt und sein Team im Blick.

Von Johanna Pfund

Auf dem Computerbildschirm flackern Punkte, in einer Reihe angeordnet, mal leuchtet der eine auf, mal der andere. Das Lichtspiel wirkt bescheiden in dem vollgepackten dunklen Labor. Unzählige Kabel hängen von der Decke, sie verschwinden in Kästen aus Glas und Sperrholz, die ihrerseits enge Gänge formen. Die Apparaturen darin: Laser, Ionenfallen. Damit schließt sich der Kreis zum Bildschirm: Ein Ion entspricht einem Qubit, und die leuchtenden Punkte repräsentieren je ein Qubit. Gemeinsam ergeben sie ein Quantenregister. Das ist also die Supermaschine, über die so viel geredet wird, von der man sich bisher unmögliche Rechenleistungen erhofft und die man im Technikwunderland USA vermuten würde.

Das Labor, von dem hier die Rede ist, steht allerdings nicht in Kalifornien, sondern in der Alpenstadt Innsbruck. Auch wenn IBM schon den ersten Quantencomputer in der Cloud hat, auch wenn Google daran arbeitet oder das kalifornische Start-up Rigetti mit einer "Quantum-first cloud platform" wirbt, so finden sich ausgerechnet im kleinen Österreich zahlreiche führende Quantenforscher.

Erst Ende April zeichnete die chinesische Micius Quantum Foundation zwölf Wissenschaftler aus, die sich auf dem Gebiet hervorgetan haben. Etwa Peter Shor, der 1995 seine Arbeiten zur Faktorisierung von großen Zahlen präsentiert hat, oder Nobelpreisträger David Wineland, beide Amerikaner. Geehrt wurden aber auch Anton Zeilinger aus Wien sowie gleich fünf Forscher, die in Innsbruck arbeiten oder gearbeitet haben. Einer davon ist Rainer Blatt, Chef der Forschungsgruppe Quantenoptik und Spektroskopie an der Universität Innsbruck sowie Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI). Der gebürtige Deutsche, der auch Mitglied des Kuratoriums der Lindauer Nobelpreisträgertagung ist, hat unter seiner Regie mittlerweile drei Quantencomputer in Innsbruck laufen.

Begonnen hat die Geschichte mit den Quanten vor mehr als 100 Jahren. Den Grundstein dafür legte Max Planck mit dem Planck'schen Wirkungsquantum und der Strahlungsformel. Das war erst der Anfang einer neuen Physik, die die Vorstellungskraft herausfordert. Die Quanten, die Teilchen, können beispielsweise zwei Zustände zugleich annehmen. Irgendwie schwierig. Der Physiknobelpreisträger Richard Feynman behauptete in den 1960ern in seiner berühmten Vorlesungsreihe über Quantenmechanik: "Ich bin mir sicher, niemand versteht die Quantenmechanik."

Illustration: Christian Tönsmann

Das hat die Wissenschaftler nicht davon abgehalten, weiter in die erstaunliche Welt der Teilchen vorzudringen. Dass mit Quanten beispielsweise leistungsfähige Algorithmen entwickelt werden könnten, die jeden herkömmlichen Rechner alt aussehen lassen, diese Möglichkeit brachte Peter Shor 1994 ins Spiel.

2002 gelang der Innsbrucker Gruppe der Durchbruch

Zu dieser Zeit begann auch Blatt, der zunächst in der Metrologie, der Wissenschaft des Messens gearbeitet hatte, mit dem Forschen an Quanten - gemeinsam mit dem Innsbrucker Peter Zoller und Ignacio Cirac, der heute Direktor der Abteilung Theorie am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München ist. Sie leisteten die grundlegenden Vorarbeiten für den Ionenfallen-Quantencomputer. Auf diesen Theorien basierend baute Blatt seine ursprünglich für Messungen konzipierte Apparatur um mit dem Ziel, einen Quantencomputer zu schaffen. 1995 folgte er dem Ruf nach Innsbruck. Sieben Jahre später schrieb seine Arbeitsgruppe Physikgeschichte, als ihr das erste sogenannte Kontrollierte-Nicht-Gatter (Controlled-NOT-Gatter) gelang, die erste Aktion mit einem Quantencomputer.

"Dann ging es richtig los", erinnert sich Blatt. Das IQOQI (Institut für Quantenoptik und Quanteninformation) wurde ergänzend zum Institut an der Innsbrucker Uni gebaut. Die Zahl der Professoren stieg von 8 auf 22. In Blatts Gruppe arbeiten 50 Wissenschaftler, die gut ein Dutzend Nationalitäten haben, Laborsprache ist Englisch.

Die vielen Kästen im dunklen Labor sind Fallen. "Wir arbeiten mit Calciumionen", erläutert Blatt. Die Ionen - jedes repräsentiert ein Qubit - werden in den sogenannten Paul-Fallen im Vakuum mit elektrischen Feldern festgehalten, mit Lasern gekühlt und gemessen. So weit, so einfach und doch in gewisser Weise verrückt. Ein Calciumion, das rechnet.

Blatt erklärt es so: Man wirft einen Stein ins Wasser, Wellen breiten sich aus, man wirft einen zweiten Stein hinein, das Wellenmuster verändert sich. "So verhält es sich mit den Quanten, es geht immer um Interferenz", sagt der deutsch-österreichische Physiker. Ein Gatter, das ist in der Quantenphysik eine Aktion, die auf das Quantenregister angewendet wird. Der Finger wird sozusagen an einer Stelle ins Wasser gesteckt - und diese Aktion verändert das gesamte Muster.

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Länder einigten sich am 20. Mai 1875 auf das Metrische System. Unter anderem die USA, wie William Phillips vom National Institut of Standards and Technology (Nist) in Lindau erzählte. Seit dem 20. Mai 2019 werden die Einheiten Kilogramm, Meter, Ampere, Candela, Mol, Kelvin und Sekunde durch Naturkonstanten bestimmt. Das Ur-Kilogramm in Paris hat damit als Maß vieler Dinge ausgedient.

Diese sogenannte Delokalisierung der Rechnungen ist laut Blatt auch der große Vorteil des Quantencomputers. "Wenn ich an einer Stelle in meinem Rechenregister etwas ändere, dann ändere ich das in dem gesamten Register - es ist ein völlig anderes Rechenkonzept", erklärt Blatt. Mittlerweile ist sich der Professor ziemlich sicher, dass er schon ein einigermaßen fehlerkontrolliertes 20-Bit-Register am Laufen hat, bis zu seiner Emeritierung im kommenden Jahr will er ein 50-Bit-Register umsetzen.

Von dem großen Hype über die Rechenmöglichkeiten des Quantencomputers lässt sich der 66-Jährige aber nicht anstecken. Der Computer sei vor allem für einige Spezialprobleme wichtig, findet er: "Den klassischen Computer wird er nie völlig ersetzen, aber wirkungsvoll ergänzen." Eventuell werde es tatsächlich einmal möglich sein, große Zahlen in ihre Faktoren zu zerlegen, was die Kryptologie vor neue Herausforderungen stellen werde. "Ja, Institutionen, die etwas zu verbergen haben, müssen sich Sorgen machen. Aber nicht in naher Zukunft", prophezeit der Wissenschaftler. Und wer weiß, ob es nicht doch einen Algorithmus gibt, der hohe Zahlen in seine Primfaktoren zerlegen kann.

Großen Nutzen sieht Blatt jedoch in anderen Bereichen. Messverfahren oder Sensoren könne man dramatisch verbessern. "Das hat eine viel größere Bedeutung für Anwendungen, als die meisten Leute glauben." Smartphones könnten deutlich bessere Leistung bringen. Das GPS im Handy, bildgebende Verfahren in der Medizin, die Messung von Zeit und Frequenz, "das wird die Zukunft sein". Auch in der Materialforschung könne die Arbeit mit Quanten wegweisend sein. "Damit ich Materialeigenschaften bestimmen kann, muss ich wissen, wie die Atome miteinander wechselwirken, um zum Bespiel die Leitfähigkeit oder die magnetischen Eigenschaften zu bestimmen." Klassische Computer stoßen da an ihre Grenzen. Denn wie beim Schachbrett-Beispiel erhöht sich die Zahl der Möglichkeiten exponentiell, wenn man sie Feld um Feld verdoppelt: Sind es im ersten Feld zwei, dann sind es im zweiten Feld vier, im dritten acht, im vierten schon 16. "Vorbei ist es, wenn ich mit den Speichermöglichkeiten klassischer Computer 40 oder 50 Atome beschreiben will."

Professor Rainer Blatt.

(Foto: Lindau Nobel Laureate Meeting)

All die Möglichkeiten wie Quantenkommunikation, Quantenmesstechnik, Quantensimulation und den Quantencomputer hat die EU im Mai 2016 in ihrem "Quantum Manifesto" als vorrangige Forschungsfelder identifiziert. Eine Milliarde Euro soll in die Quantenforschung fließen.

Es steckt ja auch kommerzielles Potenzial in den neuen Technologien. In der Quantenkommunikation, in der etwa der Wiener Anton Zeilinger arbeitet, gibt es Start-ups, die laut Blatt schon relativ nah an der kommerziellen Verwertung von Quantentechnologien sind. Blatt selbst hat gemeinsam mit Thomas Monz und Peter Zoller in Innsbruck die Firma "Alpine Quantum Technologies" gegründet. Ähnlich wie die Amerikaner wollen die Österreicher ihre in jahrelanger Arbeit erworbenen Kenntnisse in ein Geschäftsmodell umwandeln.

Damit verblasst die klassische Trennlinie zwischen Grundlagen- und Entwicklungsforschung. "Das halte ich sowieso für falsch", erklärt Blatt. Man brauche 100 Ideen, um drei oder vier davon umzusetzen, so sei es nun mal in der Physik. Auch sich für die Forschung zu rechtfertigen - wie es manchmal gefordert werde - sei eine absurde Sache. "Es geht immer um das Funktionieren der Natur - und ich kann nicht so tun, als wäre die Natur anders." Ein Quantencomputer ist einfach Natur.

© SZ vom 05.07.2019
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