Elektronen, die sich gleichzeitig nach rechts und links drehen. Teilchen, die gemeinsam ihren Zustand ändern, obwohl sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Faszinierende Phänomene wie diese sind in der Welt der Quantenphysik völlig alltäglich. Forscher am TUM-Campus Garching bauen damit Quantencomputer, hochempfindliche Sensoren und das Internet der Zukunft.
„Wir kühlen den Chip auf nur wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab – kälter als im Weltraum“, sagt Rudolf Gross, Professor für Technische Physik und wissenschaftlicher Leiter des Walther-Meißner-Instituts (WMI) am Forschungscampus Garching. Er steht vor einem filigran wirkenden Gerät mit goldfarbenen Scheiben, die durch Kabel verbunden sind: Das Kühlsystem für einen speziellen Chip, der die bizarren Gesetze der Quantenphysik nutzt.
Seit etwa zwanzig Jahren arbeiten Forscher am WMI an Quantencomputern, einer Technologie, die auf einer wissenschaftlichen Revolution basiert, die vor 100 Jahren stattfand, als die Quantenphysik eine neue Sichtweise auf die Physik einführte. Heute dient es als Grundstein für eine „neue Ära der Technik“, wie Prof. Gross es nennt.
Um diese neue Ära zu gestalten, untersuchen Garchinger Forscher Möglichkeiten, die Regeln der Quantenphysik sowie die damit verbundenen Risiken und den potenziellen Nutzen der Quantentechnologie für die Gesellschaft zu nutzen.
Manipulation einzelner Atome
„Wir begegnen der Quantenphysik jeden Tag“, sagt Gross. Zum Beispiel, wenn wir sehen, wie ein Herdbrennerelement rot leuchtet. Im Jahr 1900 fand Max Planck die Formel für die Strahlung, die Körper unterschiedlicher Temperatur aussenden. Daher musste er davon ausgehen, dass das emittierte Licht aus winzigen Energiepaketen, sogenannten Quanten, besteht. Die Quantenphysik entwickelte sich in den folgenden Jahren weiter und veränderte unser Verständnis des Mikrokosmos grundlegend. Neue Technologien nutzten die besonderen Eigenschaften von Atomen und Elektronen, beispielsweise der Laser, der Magnetresonanztomograph und der Computerchip.
Die Technologien dieser ersten Quantenrevolution kontrollieren große Mengen an Teilchen. Mittlerweile können Physiker auch einzelne Atome und Photonen manipulieren und Objekte herstellen, die den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen. „Heute können wir maßgeschneiderte Quantensysteme schaffen“, sagt Gross. Bei dieser sogenannten zweiten Quantenrevolution können die Prinzipien der Quantenphysik genutzt werden, für die es bislang kaum technische Erkenntnisse gibt.
Das erste dieser Prinzipien ist die Superposition: Ein Quantenobjekt kann parallele Zustände annehmen, die sich im klassischen Bezugssystem gegenseitig ausschließen. Beispielsweise kann sich ein Elektron gleichzeitig nach rechts und links drehen. Die überlagerten Zustände können auch miteinander interagieren, ähnlich wie sich kreuzende Wellen, die sich entweder gegenseitig verstärken oder aufheben – das ist das zweite Prinzip: Quanteninterferenz.
Unvorstellbare Phänomene erfassen
Das dritte Phänomen ist die Verschränkung. Zwei Teilchen können einen gemeinsamen Quantenzustand haben, auch wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind. Wenn wir beispielsweise die Polarisation eines bestimmten Photons messen, wird das Messergebnis für den verschränkten Partner sofort ermittelt, als ob der Raum zwischen den beiden Photonen nicht vorhanden wäre.
So exotisch diese Konzepte auch klingen mögen, so wichtig sind sie für den technischen Fortschritt. Klassische Computer haben einen Nachteil: Sie verarbeiten Informationen sequentiell, Schritt für Schritt. „Nicht einmal immer schneller werdende Supercomputer werden in der Lage sein, alle anstehenden Aufgaben zu bewältigen“, sagt Gross, da die Komplexität einiger Aufgaben drastisch zunehmen kann.
Beispielsweise erhöht sich mit jedem möglichen Halt die Zahl der möglichen Fahrtrouten zwischen mehreren Städten. Zwischen vier Städten gibt es sechs mögliche Routen, bei 15 Städten sind es mehr als 40 Milliarden. Daher wird die Aufgabe, den kürzesten Weg zu finden, sehr schnell überwältigend komplex, ja sogar unlösbar, wenn man mit klassischen Computern innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne arbeitet.
Das Prinzip der Superposition erleichtert dem Quantencomputer die Aufgabe erheblich: Er verwendet Quantenbits, sogenannte Qubits, die die Bitwerte 0 und 1 gleichzeitig statt nacheinander verarbeiten können. Eine Vielzahl von Qubits, die durch Quanteninterferenz oder Verschränkung miteinander verknüpft sind, können unvorstellbar viele Kombinationen parallel verarbeiten und so hochkomplexe Aufgaben sehr schnell lösen.
Qubits: Winzige Schaltkreise
Zurück zu WMI: Hier finden wir silberne Vakuumkammern, in denen Metallatome präzise auf handgroßen Siliziumwafern abgeschieden werden. Die auf diesen Wafern entstehenden hochreinen Metallschichten bilden die Grundlage für winzige Schaltkreise. Wenn die Schaltkreise durch Unterkühlung supraleitend werden, schwingt die von ihnen transportierte Elektrizität mit verschiedenen Frequenzen, die unterschiedlichen Energieniveaus entsprechen. Die beiden untersten Ebenen dienen als Qubit-Werte 0 und 1. Der Chip in einem dieser Kühlsysteme enthält sechs Qubits, ausreichend für Forschungszwecke.
Allerdings benötigen Quantencomputer mehrere hundert Qubits, um praktische Probleme zu lösen. Darüber hinaus soll jedes einzelne Qubit möglichst viele Rechenschritte durchführen können, um praxisrelevante Algorithmen zu realisieren. Doch selbst bei kleinsten Störungen wie Materialdefekten oder Elektrosmog verlieren Qubits ihre Überlagerung sehr schnell – „ein enormes Problem“, sagt Gross.
Um diese Fehler zu korrigieren, müssen dann aufwendige Korrekturverfahren eingesetzt werden, die jedoch Tausende zusätzlicher Qubits erfordern. Experten gehen davon aus, dass dies noch viele Jahre dauern wird. Dennoch könnten erste Anwendungen bereits funktionsfähig sein, wenn die Anzahl der Qubit-Fehler reduziert, wenn nicht sogar beseitigt wird.
„Eine wichtige Fehlerquelle ist die unerwünschte gegenseitige Interaktion zwischen Qubits“, sagt Dr. Kirill Fedorov vom WMI. Sein Heilmittel: Qubits auf mehrere Chips verteilen und miteinander verschränken. Im Keller des WMI zeigt Fedorov auf eine Röhre mit dem Durchmesser eines Asts, die von einem Quantencomputer zum nächsten führt. In den Röhren befinden sich Mikrowellenleiter, die die Qubits miteinander in Wechselwirkung bringen. Dieser Ansatz könnte es ermöglichen, dass in Zukunft Tausende von Qubits zusammenarbeiten.
Überempfindliche Quanten messen genauer
Eva Weig, Professorin für Nano- und Quantensensorik, sieht diesen Mangel an Perfektion anders. „Dass Quantenzustände so empfindlich auf alles reagieren, kann auch ein Vorteil sein“, sagt sie. Selbst kleinste Magnetfelder, Druckschwankungen oder Temperaturschwankungen können einen Quantenzustand messbar verändern. „Dadurch können Sensoren empfindlicher und präziser werden und eine bessere räumliche Auflösung ermöglichen“, sagt Weig.
Sie möchte relativ große Objekte als mechanische Quantensensoren nutzen. Sogar Nanostrukturen, die aus Millionen von Atomen bestehen, können in ihren Quantengrundzustand versetzt werden, wie Forscher der University of California erstmals 2010 zeigten. Eva Weig baut auf der Erkenntnis auf. „Ich möchte einfach kontrollierbare Nanosysteme konstruieren, um kleinste Kräfte zu messen.“
Im Labor präsentiert die Physikerin einen Chip, den ihr Team im eigenen Reinraum hergestellt hat. Darauf befinden sich, wie sie es nennt, „Nano-Gitarren“, die für das bloße Auge unsichtbar sind: Winzige Saiten, tausendmal dünner als ein menschliches Haar, die mit Radiofrequenz vibrieren. Weigs Team versucht, diese Nanooszillatoren in einen definierten Quantenzustand zu versetzen. Dann könnten die Strings als Quantensensoren genutzt werden, etwa um die Kräfte zu messen, die zwischen einzelnen Zellen herrschen.
Der Weg zum Quanteninternet
Professor für Quantennetzwerke Andreas Reiserer möchte einen weiteren Aspekt von Quantensystemen nutzen, um ein Quanteninternet zu ermöglichen: Der Quantenzustand eines Teilchens wird bei der Messung zerstört, sodass die darin enthaltenen Informationen nur einmal ausgelesen werden können. Somit würde jeder Abhörversuch unweigerlich Spuren hinterlassen. Wenn solche Spuren nicht vorhanden sind, kann man einer Kommunikation vertrauen. „Quantenkryptographie ist kostengünstig und kann bereits heute eine abhörsichere Kommunikation unterstützen“, sagt er.
Der Anwendungsbereich dieser Technologie bleibt jedoch noch begrenzt. Faseroptische Elemente eignen sich laut Reiserer ideal für den Transport von Quanteninformationen mittels Licht. Aber das Glas absorbiert auf jedem Kilometer, den es zurücklegt, einen Teil des Lichts. Nach etwa 100 Kilometern ist keine Kommunikation mehr möglich.
Reiserers Team forscht deshalb an sogenannten Quanten-Repeatern, Speichereinheiten für Quanteninformationen, die etwa alle 100 Kilometer entlang des Glasfasernetzes verteilt werden sollen. Wenn es gelingt, jeden der Quantenrepeater mit seinem unmittelbaren Nachbarn zu verschränken, können gesendete Informationen verlustfrei weitergegeben werden. „Wir hoffen, auf diese Weise globale Distanzen überwinden zu können“, sagt Reiserer. „Dann könnte es möglich sein, Geräte überall auf der Welt zu einem ‚Quanten-Supercomputer‘ zu vernetzen.“
Das Münchner Team will Quantenrepeater miniaturisieren, vereinfachen und für die Massenproduktion geeignet machen, indem es sie auf einen Computerchip bringt. Der Chip enthält eine optische Faser, in die Erbiumatome eingebettet sind. Diese Atome dienen als Qubits, die die Informationen puffern können. Reiserer räumt jedoch ein, dass hierfür eine Abkühlung auf nur vier Grad Kelvin (also etwa -269 °C) erforderlich sei, und fügt hinzu, dass bis zur praktischen Umsetzung noch viel mehr Forschung nötig sei.
Gesellschaftliche Risiken
Der Einzug von Quantentechnologien in den Alltag birgt auch einige Risiken. Ein fehlerkorrigierter Quantencomputer könnte heutige herkömmliche Verschlüsselungsverfahren knacken und beispielsweise die Sicherheit von Online-Banking gefährden. „Die gute Nachricht ist, dass es bereits neue Verschlüsselungsverfahren gibt, die sicher gegen Quantencomputer-Angriffe sind“, sagt Urs Gasser, Professor für Public Policy, Governance und Innovative Technologie und Leiter des „Quantum Social Lab“ an der TUM. Gasser, Rechtswissenschaftler, fügt hinzu, dass der Übergang mehrere Jahre dauern wird und es daher notwendig sei, jetzt damit anzufangen.
„Die Kosten, wenn man zu spät kommt, könnten sogar die Kosten übersteigen, die entstehen, wenn man bei künstlicher Intelligenz zu spät kommt“, warnt Gasser. Das Quantum Social Lab konzentriert sich auf die ethischen, rechtlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen neuer Quantentechnologien. Dazu gehört zum Beispiel die Frage, wie man die Menschen in die Debatte um die neue Technologie einbinden kann oder ob nicht nur wohlhabende Länder dank Quantenoptimierung ihre Städte besser planen können sollen.
„Die zweite Quantenrevolution ist ein Paradigmenwechsel, der weitreichende soziale, politische und wirtschaftliche Auswirkungen haben wird“, sagt Prof. Gasser. „Wir müssen diese Revolution im besten Interesse der Gesellschaft gestalten.“