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Forschung zu Quantencomputern steckt noch in den Kinderschuhen

Welche Erkenntnisse es auf fundamentaler Ebene gibt

Dr. Johannes Zeiher, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik Garching Quelle: MPQ-MPG Dr. Johannes Zeiher Gruppenleiter Max-Planck-Institut für Quantenoptik Garching 08.03.2023
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Uwe Rempe
Freier Journalist
Meinungsbarometer.info
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"Unsere Technologie ist ein vielversprechender Kandidat für die Realisierung von digitalen Quantencomputern", ist sich Dr. Johannes Zeiher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching sicher. Er berichtet zudem, was diese Technologie ausmacht, welche Probleme noch auftreten und wo sich Lösungen andeuten.







Wie ist der aktuelle Stand beim Quantencomputing als Technologie, was kann sie potenziell leisten, was kann sie besser als herkömmliche Rechner?
Die Forschung zu Quantencomputern steckt noch in den Kinderschuhen. Wir befinden uns in einer Phase, in der sowohl verschiedene Hardwareplattformen, zum Beispiel supraleitende Schaltkreise, gefangene Ionen oder kalte Atome, aber auch unterschiedliche Ansätze zur Realisierung von Quantencomputern, zum Beispiel digitale oder analoge Ansätze, verfolgt werden. Aktuell verfügbar sind Geräte, die fehlerbehaftet sind, sogenannte „NISQ“- (Noisy Intermediate-Scale Quantum) Geräte.

Man geht inzwischen davon aus, dass sich in diesem NISQ-Bereich mithilfe analoger Rechner die größten Fortschritte erzielen lassen. Hier steht das Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) mit seinen Quantensimulatoren basierend auf ultrakalten Atomen seit Jahren an der Spitze der Grundlagenforschung. Die Maschinen am MPQ verwenden lasergekühlte Atome in optischen Gittern, um zum Beispiel Elektronen in Festkörpern und deren Dynamik besser zu verstehen. Dazu werden diese Systeme mit Hilfe von neutralen Atomen nachgebildet und können mit Sensitivitäten bis hinunter zu einzelnen Atomen kontrolliert und detektiert werden. Die daraus resultierenden Erkenntnisse sind auf fundamentaler Ebene relevant für die Entwicklung neuer Materialien, da sich grundlegende Mechanismen des Zusammenspiels vieler Quantenteilchen aufdecken lassen. Auf klassischen Rechnern sind solche Systeme und deren Dynamik oft gar nicht oder nur näherungsweise berechenbar, so dass diese Systeme schon heute in speziellen Fällen klassischen Rechnern überlegen sind.

Längerfristig gilt diese Technologie auch als ein vielversprechender Kandidat für die Realisierung von digitalen Quantencomputern. Quantencomputer dieser Art sind noch flexibler einsetzbar, aber auch anfälliger für Fehler und benötigen mehr Ressourcen, d.h. eine größere Anzahl von Qubits. Man geht aktuell davon aus, dass sie ihr volles Potential erst unter Anwendung der sogenannten Quantenfehlerkorrektur entfalten können, die Gegenstand der aktuellen Grundlagenforschung ist. Gleichwohl haben sich mittlerweile auch einige Start-ups formiert, die Neutralatom-Quantenrechner dieser Art entwickeln wollen. Dazu gehört auch das Münchner Start-up planqc, das 2022 aus dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik heraus entstanden ist und das Ziel verfolgt, einen digitalen Quantenrechner basierend auf neutralen Atomen zu entwickeln und dabei auf die langjährigen Erfolge im Bereich der Grundlagenforschung aufzubauen.

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Welche Vorteile bietet die Suche nach neuen Werkstoffen mithilfe des Quanten-Computing?
Quantencomputer oder Quantensimulatoren bieten natürliche Vorteile gegenüber klassischen Rechnern, so z.B. in der Suche nach Werkstoffen, die auf Quanteneffekten aufbauen. Beispiele hierfür sind Supraleiter oder auch magnetische Materialien, die auf der Manipulation des magnetischen Moments einzelner Atome beruhen. Solche Materialien lassen sich nur näherungsweise mit Hilfe von klassischen Methoden beschreiben. Mit Quantensimulatoren können die entsprechenden Systeme hingegen direkt realisiert und untersucht werden. Hier ist die Analogie mit einem Windkanal hilfreich: Die exakte Modellierung eines Flügels ausschließlich auf einem klassischen Computer ist aufwändig und oft nicht genau genug. Daher finden auch Windkanaltests an Modellsystemen statt, die – gegebenenfalls im Zusammenspiel mit klassischen Rechnungen – neue Erkenntnisse ermöglichen und Bauteile optimieren sollen. Gleichzeitig können solche analogen Modellsysteme als Referenzsysteme für numerische Verfahren auf klassischen Computern agieren, um deren Rechen- und Näherungsmethoden zu verbessen und zu überprüfen.

Wie lassen sich umweltbeeinträchtigende Produkte bzw. Verfahren oder auch Ressourcenverschwendung von Vornherein ausschließen?
Quantencomputer und -simulatoren eröffnen die Perspektive, neuartige Materialien mit genau kontrollierten Eigenschaften herzustellen. Durch die gezielte Ausnutzung bestimmter Effekte können die Materialien möglicherweise besonders effizient und ressourcenschonend sein. Aktuell ist die Frage, inwieweit sich Ressourcen einsparen lassen, allerdings extrem schwierig zu beantworten, da zwischen der Entdeckung neuartiger Materialeigenschaften und der skalierbaren, industriell optimierten Fertigung noch viele Entwicklungsschritte notwendig sind.

Welche Art der Förderung bzw. regulatorische Unterstützung benötigt das Quantencomputing noch?
Durch die weltweiten Quanteninitiativen erlebt Quantencomputing und die Entwicklung von Quantenökosystemen, z.B. in Deutschland und Europa, momentan viel Unterstützung. Es ist jedoch sehr wichtig, dass neben der klassischen Grundlagenforschung auch junge Start-ups insbesondere in der Wachstumsphase unterstützt werden, um durch die Weiterentwicklung von anwendungsorientierter Technologie einen wichtigen Beitrag auf dem Weg in Richtung skalierbarer, digitaler Quantenrechner leisten zu können.

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