Quantencomputer - Dossier - Oktober 2021 - IST Austria
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Dossier
Quantencomputer
Oktober 2021
1
Inhalt
Einleitung3
Grundlagen3
Von klassisch zu quantisiert 4
Superposition und Verschränkung 4
Quantenalgorithmen und Anwendungen 5
Fehlerkorrektur und Herausforderungen 6
Qubitysteme8
Ionenfallen8
Supraleiter8
Optische Gitter 9
Stickstoff-Fehlstellen-Zentren9
Topologische Qubits 10
Quanten-Annealing10
Quantencomputer am IST Austria 11
Nanoelektronik11
Integrierte Quantenmaschinen 12
Kondensierte Materie und Quantenschaltungen 13
Interview mit Georgios Katsaros 14
Die Zukunft der Quantencomputer 16
Anhang17
Index17
Weiterführende Links 17
Pressekontakt17
Impressum
Autor und Layoutdesign: Thomas Zauner, thomas.zauner@ist.ac.at
Herausgeber: Institute of Science and Technology Austria
Am Campus 1, 3400 Klosterneuburg, Austria
www.ist.ac.at
Coverbild © IST Austria.
Illustration S. 7 © Irene Sackmann / IST Austria.
Portrait Georgios Katsaros © Roland Ferrigato / IST Austria.
Portrait Johannes Fink © Anna Stöcher / IST Austria.
Portrait Andrew Higginbotham © Andrew Higginbotham.
Bild S. 14 © Roland Ferrigato / IST Austria.
Bild S. 16 © IST Austria.
2
Einleitung
Quantencomputer waren in den letzten Jahren ein prominentes Thema in der Wissenschaft.
Sie versprechen große Fortschritte in der Materialwissenschaft, der Medizin und unserem
grundlegenden Verständnis der Welt. Derzeit befinden wir uns jedoch noch in einer sehr
frühen Phase der Entwicklung, in der die Grundlagen für künftige Technologien gelegt
werden. Dieses Dossier gibt eine kurze Einführung in die Physik von Quantencomputern,
erklärt ihr Potential und gibt einen Überblick über den derzeitigen Entwicklungsstand.
Forscher_innen am Institute of Science and Technology (IST) Austria wie Georgios Katsa-
ros, Johannes Fink und Andrew Higginbotham arbeiten daran, die grundlegenden Rätsel
der Quantencomputer zu lösen. Hier gewähren sie Einblicke in ihre Arbeit und ihre eigenen
Perspektiven auf dieses Gebiet.
Grundlagen
Es war in den frühen 1980ern, nachdem in Elektronen können aber nicht beliebig um
den Jahrzehnten zuvor große Fortschritte den Kern herumfliegen, sondern befinden
in der Quantenmechanik gemacht worden sich auf sogenannten Orbitalen mit bestim-
waren, als der berühmte Physiker Richard mten Energien – ihren Quantenzuständen.
Feynman und anderen Forscher_innen Je weiter sie vom Kern entfernt sind, desto
eine Idee hatten: Man könnte neue Erken- höher ist ihre Energie. Nimmt ein Elektron
ntnisse gewinnen und neue Technologien Energie auf oder gibt sie ab, kann es von
kreieren, die weit über die derzeitigen einem Quantenzustand zum anderen
Möglichkeiten hinausgehen, wenn man springen.
die Quantenwelt für Berechnungen nutzen
könnte. Um diesen Vorschlag zu verstehen, In ähnlicher Weise ist auch Licht im kleinsten
muss man sich mit der Quantenmechanik Maßstab quantisiert. Das heißt, es beste-
etwas vertraut machen. ht aus kleinen Paketen, den Photonen.
Ein Sonnenstrahl enthält Milliarden und
Einer der wichtigsten Grundsätze der Abermilliarden davon, aber in einem
Quantenmechanik ist, dass viele Größen Experiment in einem Labor können sogar
auf kleinsten Skalen nur diskrete Werte einzelne Photonen kontrolliert und manip-
annehmen können – sie sind quantis- uliert werden. Die Eigenschaften eines
iert. Das bedeutet, dass Größen wie die Photons können ebenfalls durch einen
Energie eines Teilchens nicht beliebige Quantenzustand beschrieben werden.
Werte annehmen können, sondern nur
bestimmte diskrete Werte, die durch die Quantensysteme wie diese werden durch
Umgebung vorgegeben sind. eine andere Art von mathematischem
Apparat beschrieben, als wir es aus
In einem Atom befinden sich beispiels- unserem Alltag gewohnt sind. In einem
weise die positiv geladenen Protonen und Quantencomputer könnten die Wissen-
die neutralen Neutronen im winzigen Kern. schafter_innen diesen nutzen, um unserer
Negativ geladene Elektronen befinden sich Verständnis von Materie und Energie zu
in einiger Entfernung um sie herum. Die revolutionieren.
3
Qubit
Basiseinheit der
Quanteninformation
Das Qubit kann mathematisch auf der sogenannten Bloch-Kugel dargestellt werden. In der obigen Abbildung
stellt der gelbe Punkt mit dem griechischen Buchstaben psi (ψ) den Zustand des Quantensystems dar. Er wird
vollständig durch seine Winkel zur x-Achse (ϕ) und zur z-Achse (θ) sowie durch seinen Abstand zum Mittelpunkt
der Kugel beschrieben. Ein Zustand am Nordpol der Kugel entspricht einer 0 und einer an ihrem Südpol einer
1. Jede andere Position auf der Bloch-Kugel entspricht einer Überlagerung der Zustände 0 und 1. © IST Austria
Von klassisch zu quantisiert Quantenzustände. Diese werden dann als
Quantenbits, kurz Qubits, bezeichnet,
In einem normalen – einem klassischen – die auf viele verschiedene Arten realisiert
Computer wird Information in Bits kodiert, werden können. Zum Beispiel als einzelne
welche die Werte 0 oder 1 annehmen Atome oder Photonen, oder als etwas
können. Zum Beispiel können die sechs völlig Anderes und noch Seltsameres.
Bits „101010“ für die Zahl „42“ in binärer
Schreibweise stehen, aber sie können
auch den Buchstaben „a“ kodieren. Superposition und
Verschränkung
Die physikalische Umsetzung dieser Bits
erfolgt im Computer durch das An- und Bevor man sich eingehender mit Quanten-
Abschalten von Strom. Wenn kein Strom computern befassen kann, an denen
durch die Schaltkreise fließt, ist das eine derzeit in Laboren auf der ganzen Welt
0, und wenn Strom fließt, dann eine 1. Eine gearbeitet wird, muss man einige Grund-
beliebige Ansammlung von Bits, also eine prinzipien verstehen. Ähnlich wie klassische
Folge von 0 und 1, kann daher durch das Bits hat ein Qubit zwei verschiedene
Ein- und Ausschalten von Strom realisiert Quantenzustände, die es einnehmen kann.
werden. Im Gegensatz zu klassischen Bits kann
es sich auch in einer Überlagerung, einer
Ein Quantencomputer hingegen verwendet sogenannten Superposition, aus beiden
Quantensysteme wie einzelne Atome oder Zuständen befinden. Die Mathematik der
Photonen, um die Information zu kodieren, Quantenmechanik erlaubt es dem Qubit,
mit der er arbeitet. Darin liegt die zentrale sich teilweise in dem einen und teilweise in
Innovation des Quantencomputers. Anstatt dem anderen Zustand zu befinden.
nur zwei Zustände – Strom oder kein
Strom – zur Darstellung von Informationen Das ist so ähnlich wie bei Schröding-
zu haben, verwenden diese Maschinen ers berühmter Katze. In einem
4
Gedankenexperiment entwarf der mussten entwickelt und verfeinert werden,
österreichische Nobelpreisträger Erwin um so leistungsfähig zu werden, wie sie es
Schrödinger einen Aufbau mir einer Katze heute sind.
in einer Kiste, die sowohl tot als auch
lebendig wäre. Diese feline Überlagerung In ähnlicher Weise müssen die Wissen-
von Zuständen kann mit dem Qubit vergli- schafter_innen Quantenalgorithmen für
chen werden, das einen Zustand zwischen Quantencomputer entwickeln. Aufgrund
0 und 1 einnehmen kann. der ganz anderen Art der zugrundelie-
genden Informationseinheiten – Qubits
Der zweite große Vorteil der Quanten- anstelle von klassischen Bits – unter-
mechanik ist die Verschränkung. Diese scheiden sich diese Algorithmen stark von
Eigenschaft tritt zwischen zwei oder mehr denen der klassischen Computer und sind
Quantensystemen auf, deren kombinierter bisher noch weniger gut verstanden. Die
Quantenzustand Eigenschaften aufweist, Verbesserung und die Entwicklung neuer
die sich unserem Verständnis aus der Quantenalgorithmen für diverse Anwend-
Alltagswelt entziehen. Quantensysteme, ungen ist ein aktives Forschungsgebiet.
die sich in einem verschränkten Zustand Viele Algorithmen wurden schon entwick-
befinden, können sich gegenseitig in elt, einige mit realen Anwendungen,
bestimmter Weise beeinflussen, unabhän- andere nur zu Demonstrationszwecken
gig davon, wie weit sie voneinander ohne praktische Anwendung.
entfernt sind.
Mittels Quantenalgorithmen möchten
Dies ermöglicht jedoch keine instantane Forscher_innen Lösungen für Probleme
Kommunikation schneller als mit Licht- zu berechnen, die selbst für die größten
geschwindigkeit. Wissenschafter_innen klassischen Supercomputer unerreichbar
können diese Eigenschaft nutzen, um sind. Diese reichen vom Knacken digitaler
Quantenalgorithmen zu entwickeln, die Verschlüsselungen über die Simulation
auf klassischen Computern nicht möglich neuer Materialien und der Faltung von
wären. Proteinen bis hin zum quantengestütztem
maschinellen Lernen.
Indem sie diese besonderen Effekte der
Quantenmechanik nutzen, wollen Wissen- Einer der ersten Algorithmen mit einer
schafter_innen Antworten auf bisher realen Anwendung war der Shor-Algorith-
unlösbare Probleme finden. Quantencom- mus Mitte der 1990er-Jahre. Mit ihm kann
puter sind allerdings kein Allheilmittel, und ein Quantencomputer eine große Zahl viel
man wird den klassischen Heimcomputer schneller in ihre Primfaktoren zerlegen
nicht durch einen solchen ersetzen. Was als ein klassischer Supercomputer. Das
Quantencomputer können und was nicht, bedeutet, er kann herausfinden, welche
wird abgsehen von unseren technischen Primzahlen man multiplizieren muss, um
Fähigkeiten auch durch die Programme, die Ausgangszahl zu erhalten. Zum Beispiel
die sie ausführen können, begrenzt. die Zahl 15. Welche zwei Primzahlen multi-
plizieren sich zu 15? Offensichtlich drei
und fünf. Sie sind die Primfaktoren. Bei
Quantenalgorithmen Zahlen, die viele tausend Stellen lang sind,
und Anwendungen ist diese Aufgabe äußerst schwierig.
In einem Computer ist ein Algorithmus eine Da einige Formen digitaler Verschlüsselun-
Reihe von Anweisungen zur Ausführung gen darauf beruhen, dass es für normale
einer Aufgabe. Das reicht von der Berech- Computer sehr schwierig ist, die Primfak-
nung der Quadratwurzel aus 2 bis zur toren großer Zahlen zu finden, könnte ein
Darstellung eines virtuellen Waldes in einem Quantencomputer unsere digitale Infras-
Computerspiel. Alle diese Anweisungen truktur revolutionieren. Zwar gibt es in der
5
Realität noch keinen Quantencomputer, Einzelne Atome müssen durch elektrische
der dies in großem Maßstab leisten kann, und magnetische Felder in einem Vakuum
doch arbeiten Kryptograf_innen schon an schwebend gehalten werden; supraleitende
neuen Verschlüsselungsstandards, um zu Schaltkreise müssen auf eine Temperatur
verhindern, dass ein künftiger Quanten- nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt
computer ihren Code knackt. werden; und Photonen müssen daran
gehindert werden, auf jedliche Hindernisse
Ein weiteres Beispiel für eine Anwendung in ihrem Weg zu treffen. Dennoch müssen
von Quantencomputern ist die Simulation die Forscher_innen mit den Qubits auf sehr
anderer physikalischer Systeme. Ein sehr kontrollierte Weise interagieren, um Daten
genau zu kontrollierender Quantencom- einzugeben, Berechnungen durchzuführen
puter und seine Algorithmen würden so und Ergebnisse auszulesen.
konstruiert, sodass sie sich genau wie ein
anderes quantenmechanisches System Jede Interaktion mit dem Quantensystem –
verhalten. Das könnte zum Beispiel dazu sei sie beabsichtigt oder unbeabsichtigt –
verwendet werden, nach einem neuen kann eine Störung verursachen und Fehler
Material zu suchen, um die Effizienz von in die Berechnungen einbringen. Je mehr
Solarzellen zu erhöhen, oder die Faltung Qubits verwendet werden und je länger
von Proteinen zu simulieren, die Krankheit- die Berechnungen mit ihnen dauern, desto
en verursachen oder bekämpfen. mehr Fehler häufen sich an. Um ein Ergeb-
nis mittels Quantenalgorithmen zu finden,
Im Bereich des maschinellen Lernens sind je nach Problem 50 bis 100 oder
haben Wissenschafter_innen mit enormen noch mehr Qubits und viele Rechenoper-
Datenmengen zu tun. Quantenalgorithmen ationen erforderlich. Diese hohe Fehlerrate
könnten ihnen dabei helfen, die Daten zu schränkt die derzeitigen Möglichkeiten und
durchsuchen oder komplexe Berechnun- Einsatzgebiete von Quantencomputern
gen viel schneller durchzuführen als auf ein.
jedem klassischen Computer.
Der renommierte Quantenphysiker John
Obwohl täglich neue Versprechungen Preskill nennt den derzeitigen Stand der
gemacht und neue Anwendungen erdacht Quantencomputer die Noisy Interme-
werden, sind viele Forscher_innen diate-Scale Quantum (NISQ) Ära. Er
vorsichtig mit ihren Vorhersagen zu geht davon aus, dass diese mindestens
Quantencomputern. Auf diesem Gebiet ein Jahrzehnt dauern wird, während die
gibt es noch eine Vielzahl an Heraus- Grundlagenforschung an der Entdeckung
forderungen zu bewältigen und viele neuer und der Verbesserung bestehender
Grundlagen müssen erst noch geschaffen Qubit-Systeme arbeitet.
werden.
Der Plan zur Überwindung der Fehler-
Fehlerkorrektur und anfälligkeit besteht nicht nur darin, die
Herausforderungen Qubits perfekt zu isolieren. Man könnte
auch die Redundanz von hunderten oder
Wissenschafter_innen untersuchen viele tausenden physischer Qubits nutzen, die
verschiedene Quantensysteme auf ihr zusammen ein virtuelles Qubit simulieren.
Potenzial, als Qubits in einem Quanten- Treten Fehler in einigen physischen Qubits
computer zu dienen. Um die quanten- auf, können die vielen anderen den Fehler
mechanischen Effekte zu ermöglichen und ausgleichen und korrigieren, sodass das
aufrechtzuerhalten, die den Quantencom- simulierte virtuelle Qubit perfekt intakt
putern ihren Vorteil gegenüber klassischen bleibt. Diese Technik erfordert jedoch eine
Computern verleihen, müssen die Anzahl physischer Qubits, die mit den
Qubit-Systeme von allen äußeren Einflüs- gegenwärtigen Technologien nicht erreicht
sen isoliert werden. werden kann.
6
7
Qubitysteme
Es gibt viele Möglichkeiten, Qubits zu bauen, aber keine davon hat sich bisher als eindeutig
überlegen erwiesen. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über einige der vielversprechend-
sten Technologien.
Ionenfallen Unternehmen wie IonQ und Honeywell
arbeiten an verschiedenen vielversprech-
Ionen sind Atome mit einem kleinen enden Entwürfen für ihre Quantencom-
Twist. Im Allgemeinen sind Atome nicht puter auf Basis von Ionenfallen, aber reale
elektrisch geladen. Ionen besitzen jedoch Anwendungen sind noch nicht in Sicht.
mehr (oder weniger) negative Elektronen
als neutralen Atome. Dadurch erhalten sie
eine negative (oder positive) elektrische Supraleiter
Ladung. Aufgrund ihrer Ladung sind Ionen
sehr empfindlich gegenüber elektromag- Ein Supraleiter ist ein spezielles Material,
netischen Feldern, die sie festhalten oder das keinen elektrischen Widerstand hat:
bewegen können. Elektrischer Strom – eine Unzahl sich
bewegender Elektronen – kann ungehin-
In einer Ionenfalle schweben einzelne dert durch ihn fließen. Um zu funktionieren,
Ionen in einer Vakuumkammer. Sie werden muss der Supraleiter auf extrem niedrige
durch elektromagnetische Felder fixiert. Temperaturen heruntergekühlt werden.
Sie sind in einer Reihe zwischen mehreren
Metallstreben aufgereiht, welche die Felder Die Qubits können in Form von elektrischen
erzeugen. Wissenschafter_innen verwen- Strömen konstruiert werden, die ohne
den Laser, um die Elektronen in den Ionen Widerstand durch supraleitende Schalt-
zu manipulieren. Die Elektronen stellen die kreise im Kreis fließen. Bei solch niedrigen
Qubits dar. Sie speichern die Information in Temperaturen bilden die Millionen von
zwei ihrer Energiezustände, einem hohen Elektronen im Leiter zusammen einen
und einem niedrigen Orbital. Die Quante- großen Quantenzustand. Eine Möglich-
nalgorithmen werden mittels Bestrahlung keit, die Information abzubilden, liegt in
durch Laser und durch die Wechselwirkung den beiden unterschiedlichen Zuständen,
benachbarter Ionen realisiert. in denen der Strom im oder gegen den
Uhrzeigersinn durch die Schaltkreise fließt.
Die Technologie der Ionenfallen mit einer Eine Richtung steht für 0 und die andere
Reihe von Ionen wurde bereits für andere für 1. Wenn eine Superposition der beiden
Anwendungen wie Atomuhren entwickelt. Zustände entsteht, „fließt“ der Strom in
Einige Dutzend Ionen konnten schon erfol- beide Richtungen gleichzeitig.
greich auf einmal eingefangen werden.
Um sie jedoch in einem leistungsfähigen Der Vorteil dieser Qubits besteht darin,
Quantencomputer zu verwenden, müssten dass sie in feste integrierte Schaltkreise
sie in einem zweidimensionalen Gitter eingebaut werden können, ähnlich wie
aufgereiht werden. Außerdem müssten herkömmliche Mikroelektronik. Sie
viel mehr davon miteinander interagieren werden durch elektromagnetische Wellen
können. Dadurch wären sie aber schwi- im Mikrowellenbereich gesteuert und
eriger zu kontrollieren und fehleranfälliger. ausgelesen.
8Derzeit arbeiten mehrere Unternehmen,
darunter Google, IBM und Intel, mit
supraleitenden Qubits, wobei die Zahl der
Qubits im Laufe der letzten Jahre stetig
zugenommen hat.
Am IST Austria arbeiten Johannes Fink
und Andrew Higginbotham mit ihren
Teams an den Grundlagen dieser Art von
Qubits.
Optische Gitter
Laser sind gebündelte Lichtstrahlen, also
schlicht elektromagnetische Wellen. Richtet
man zwei Laser so aufeinander, sodass
der eine genau in die entgegengesetzte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren
Richtung des anderen strahlt, können die
beide so interagieren, dass einzelne Atome Diamanten sind Kristalle, die aus Kohlen-
in ihnen schweben können. stoffatomen bestehen. Entfernt man zwei
benachbarte Kohlenstoffatome und ersetzt
Ihre elektromagnetischen Felder bilden eines davon durch ein Stickstoffatom,
eine Reihe von sogenannten Potentialtöp- entsteht eine Fehlstelle im dreidimensio-
fen, in denen die Atome ruhen. Man kann nalen Gitter des Diamanten. Dort sammeln
sich diese Vertiefungen wie einen leeren sich einige der Elektronen der umliegenden
Eierkarton vorstellen, in dem sich an jeder Kohlenstoffatome und können als Qubit
Stelle, an der ein Ei sitzt, eine Potentialtopf fungieren.
befindet. Dort liegen die Atome. Zwei
gegenüberliegende Laser bilden eine Die Information wird im Spin der Elektronen
einzige Reihe von Potentialtöpfen, aber an der Fehlstelle gespeichert. In der
Wissenschafter_innen möchten noch viel Quantenmechanik ist der Spin eine Eigen-
mehr Laser verwenden, um zwei- oder schaft von Teilchen wie Elektronen und
sogar dreidimensionale optische Gitter aus kann entweder nach „oben“ oder „unten“
Potentialtöpfen mit je einem Atom darin zu zeigen – die eine Richtung steht für 0 und
erzeugen. die andere für 1. Wie bei vielen anderen
Qubits manipulieren Wissenschafter_innen
Jedes einzelne Atom würde als Qubit diese Elektronen in den Fehlstellen mittels
fungieren, bei dem die Information in Lasern, um Informationen für die Berech-
den Energiezuständen seiner Elektronen nungen einzugeben und auszulesen. Der
gespeichert ist, ähnlich wie bei den Ionen- Vorteil der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren
fallen-Qubits. Da sie in den Laserstrahlen besteht darin, dass sie bei Raumtempera-
schweben, können sie durch den Laser, tur funktionieren, während andere Systeme
der sie festhält, mit anderen Atomen bis fast zum absoluten Nullpunkt gekühlt
interagieren. werden müssen.
Forscher_innen arbeiten an der Schaffung Während für Stickstoff-Fehlstellen-Zentren
und Kontrolle immer größerer optischer viele vielversprechende Anwendungen in
Gitter, um viele Tausende von Qubits auf besonders empfindlichen Quantensen-
einem Bruchteil eines Quadratmillimeters soren geplant sind, erfordert ihr Einsatz
unterzubringen, haben aber bisher noch in Quantencomputern noch weitere
nicht die gewünschten Ergebnisse erzielt. Grundlagenforschung.
9Topologische Qubits Quanten-Annealing
Topologische Qubits unterscheiden sich Neben Quantencomputern, die auf Qubits
deutlich von anderen Qubit-Systemen. Sie basieren, gibt es eine weitere Form von
verhalten sich ganz anders als Atome oder Quantenrechnern, sogenannte Quant-
Photonen, denn sie könnten die Daten en-Annealer. Anstatt Berechnungen
für die Quantenberechnungen auf eine ähnlich wie bei klassischen Computern
besondere Weise kodieren, die für viele durchzuführen – mit Qubits anstelle von
Arten von Fehlern unempfindlich wäre. Bits – geht diese Technik die Probleme aus
einem anderen Blickwinkel an.
Topologische Qubits sind theoretisch
vorhergesagte Phänomene in bestimmten Quanten-Annealing ist am besten geeignet,
Festkörpern bei sehr niedrigen Tempera- um die optimale Lösung für sehr komplexe
turen und unter starken Magnetfeldern. Probleme zu finden. Zum Beispiel wie man
Unter diesen Bedingungen verhält sich maschinelles Lernen effektiver macht oder
eine ganze Gruppe von Quantensystemen wie man den Internetverkehr so leitet, dass
gemeinsam wie ein einziges Teilchen. Diese er schneller und effizienter wird.
sogenannten Quasiteilchen können dann
Informationen in ihren Quantenzuständen Forscher_innen verwenden supraleitende
speichern und miteinander interagieren, Schaltkreise, um ein solches Problem in
um Berechnungen durchzuführen. einem physikalischen System darzustellen.
Sie lassen diese Qubits dann gemäß den
Der besondere Vorteil der topologischen Gesetzen der Quantenmechanik interagie-
Qubits bestünde darin, dass ihre Art der ren und sich entwickeln. Wenn das System
Interaktion und wie sie ihre Plätze tauschen richtig konstruiert ist, erreicht es nach
nahezu vollkommen unempfindlich einiger Zeit von selbst einen Zustand, der
gegen die Art von Fehlern ist, die andere mit der optimalen Lösung des Problems
Realisierungen von Qubits plagen. Die korrespondiert.
Information ist nämlich in ihrer Anordnung
im Raum und in der Art, wie sie sich durch Man kann sich das konstruierte Quanten-
den Raum bewegen, kodiert. Würde man system als eine imaginäre Landschaft
ein Diagramm ihrer Positionen gegen eine mit sorgfältig gestalteten Tälern und
Zeitachse zeichnen, so bildeten sie verdre- Bergen vorstellen. Der sich verändernde
hte Geflechte, welche die Information und Quantenzustand des Systems korre-
die Berechnungen darstellen. spondiert dann zu Regenwasser, das die
Hänge der Landschaft hinunterläuft. Es
Topologische Quantencomputer klingen wird sich am tiefsten Punkt der Landschaft
sehr vielversprechend und Unternehmen sammeln, der die Lösung des gegebenen
wie Microsoft arbeiten an ihrer kommer- Problems anzeigt.
ziellen Entwicklung. Allerdings müssen die
Wissenschafter_innen erst noch ein Exper- Dieser Ansatz kann nicht die gleichen
iment finden, das ihre Existenz zweifelsfrei Quantenalgorithmen wie andere Quanten-
nachweist. computer implementieren, aber könnte
möglicherweise bestimmte Optimierung-
Am IST Austria untersuchen Georgios sprobleme effektiver lösen. Unternehmen
Katsaros und sein Team, wie solche wie D-Wave stellen Maschinen her, die
supraleitenden Qubits konstruiert werden Quanten-Annealing verwenden, konnten
könnten. aber bisher noch keinen Vorteil gegenüber
klassischen Supercomputern nachweisen.
10Quantencomputer
am IST Austria
Unter der großen Vielfalt an Themen, die am IST Austria beforscht werden, arbeiten
drei Professoren und ihre Forschungsgruppen an den Grundlagen für zukünftige
Quantencomputer.
Nanoelektronik
Inspiriert von der atemberaubenden Miniaturisierung der Elektronik seit den 1950er-Jahren
forschen Georgios Katsaros und sein Team an den Grenzen der Nanotechnologie.
Eines ihrer Ziele ist es, ein Experiment zu konstruieren, um das schwer fassbare Majora-
na-Fermion zu finden. Dieses Quasiteilchen wurde von Theorien vorhergesagt, aber bisher
nicht beobachtet. Es könnte zum Bau von topologischen Quantencomputern verwendet
werden, die einen großen Vorteil gegenüber anderen Quantencomputern hätten, da sie
viel fehlerresistenter wären. Zu diesem Zweck verwenden die Wissenschafter_innen
Nanodrähte aus Aluminium, Arsen und Indium. Diese sind nur einige Millionstel Millimeter
lang und bilden Halbleiter und Supraleiter. Mithilfe eines ausgeklügelten Aufbaus hoffen sie,
Majorana-Fermionen als „gespaltene“ Elektronen zu beobachten.
Neben der Suche nach Majorana-Fermionen ist die Forschungsgruppe daran interessiert,
Qubits aus Spins zu konstruieren. Jedoch nicht aus dem Spin von Elektronen, sondern
dem von Löchern. Löcher sind positiv geladene Bereiche in einem Kristall, in denen ein
negatives Elektron fehlt und können ebenfalls einen Spin haben. Den Forscher_innen ist
es gelungen, die Kontrolle über diese Löcher im Nanomaßstab zu erlangen und sie nach
Belieben zu verschieben.
Georgios Katsaros und sein Team wollen die physikalischen Grundlagen von Geräten im
Nanomaßstab erforschen und damit den Grundstein für zukünftige technologische Revolu-
tionen legen, wie es in den 1950er-Jahren für die heutigen Technologien geschah.
Georgios Katsaros
Georgios Katsaros begann seine wissenschaftliche Laufbahn an
der Universität Konstanz, wechselte dann an das Max-Planck-In-
stitut für Festkörperforschung, dann nach Harvard und
CEA-Grenoble. Er wurde Gruppenleiter am IFW-Dresden und
später an der Johannes Kepler Universität Linz, bevor er 2016
als Assistenzprofessor an das IST Austria kam.
Katsaros Forschungsgruppe
Group Website
11Integrierte Quantenmaschinen
In ihrer experimentellen Forschung arbeiten Johannes Fink und seine Gruppe an supra-
leitenden Qubits und daran, wie man sie über große Entfernungen miteinander vernetzen
kann.
Diese supraleitenden Qubits haben zwar den Vorteil, dass sie sehr schnell sind und auf
bewährten Halbleitertechnologien aufbauen. Jedoch sind sie anfällig für Fehler. Um diese zu
korrigieren, wären Tausende von physischen Qubits erforderlich, um ein stabiles virtuelles
Qubit zu erzeugen (s. Abschnitt Fehlerkorrektur und Herausforderungen). Fink und sein
Team arbeiten daran, die Stabilität supraleitender Qubits zu verbessern, um die Fehlerquote
zu senken, indem sie besser gegen äußere Fluktuationen abgeschirmt werden.
Das zweite zentrale Thema der Forschungsgruppe ist die Entwicklung von Bauelementen,
die Quanteninformation von supraleitenden Qubits auf Photonen in einem Laser – einem
Lichtstrahl – übertragen können. Das ist besonders für Quantencomputer und deren
Vernetzung interessant, da Photonen unglaublich schnell sind. Während supraleitende
Qubits für Berechnungen von Vorteil sind, eignen sich die schnellen photonischen Qubits
hervorragend für die Übertragung von Quanteninformationen zwischen Quantenrechnern.
Doch die effiziente Umwandlung vom einem Qubit in ein anderes ist noch ein ungelöstes
Problem.
Die supraleitenden Qubits können mit elektromagnetischen Feldern mit ähnlichen Frequen-
zen wie in einem Mikrowellenherd interagieren, während Laser mit Feldern mit einer viel
höheren Frequenz arbeiten. Daher können die beiden nicht einfach miteinander „reden“
und Informationen austauschen. Die Wissenschafter_innen um Johannes Fink arbeiten an
einem Mechanismus, der die Information zwischen diesen Frequenzen übersetzt.
Johannes Fink
Johannes Fink studierte zunächst Physik in Wien, promovierte
an der ETH Zürich und arbeitete dann am California Institute of
Technology. Im Jahr 2016 kehrte der Vorarlberger nach Österre-
ich zurück, um am IST Austria zu arbeiten, zunächst als Assis-
tenzprofessor und seit April 2021 mit einer vollen Professur.
Fink Forschungsgruppe
Group Website
12Kondensierte Materie und Quantenschaltungen
Zusammen mit seinem Team erforscht Andrew Higginbotham die Schnittstellen zwischen
der Physik der kondensierten Materie und der Quanteninformatik.
Zu diesem Zweck verwenden sie die Nanolithographie, um winzige elektronische Schalt-
kreise im Nanometerbereich zu erzeugen. Die Wissenschafter_innen untersuchen deren
Eigenschaften durch die Kombination von Supraleitern, Halbleitern und winzigen mecha-
nischen Oszillatoren wie Membranen und Hebeln.
Der Grundgedanke ihrer Forschung ist, dass der Bau rudimentärer informationsverarbeit-
ender Maschinen sowohl Einblicke in grundlegende physikalische Phänomene geben als
auch Technologien für Quantencomputer voranbringen kann. Sie wollen herausfinden, wie
genau Strom fließt, wenn sowohl ein Supraleiter als auch ein Halbleiter vorhanden sind,
was eine wichtige Voraussetzung für viele Arten von Quantenelektronik und topologischer
Supraleitung ist.
Andrew Higginbotham ist vorsichtig optimistisch für die Zukunft seines Feldes und begeis-
tert von den Entwicklungen der Quantentechnologien in den letzten zehn Jahren. Er möchte
zur Beantwortung grundlegender Fragen auf diesem Gebiet beitragen.
Andrew Higginbotham
Nachdem er seine Karriere in den USA und im Vereinigten
Königreich begonnen hatte, promovierte Andrew Higginbotham
an der Universität Harvard und forschte anschließend an der CU
Boulder und bei Microsoft Station Q in Kopenhagen. Im Jahr
2019 wurde er Assistenzprofessor am IST Austria, wo er ein
eigenes Labor und ein neues Team aufbaute.
Higginbotham Forschungsgruppe
Group Website
13Interview mit annähernd in der Lage, ihn zu realisieren.
Georgios Katsaros Trotz der großen Fortschritte, die bei den
Qubits gemacht wurden, sprechen wir
In einem Interview mit IST Austria immer noch von physikalischen Qubits.
Wissenschaftsredakteur Thomas Zauner Für nützliche Berechnungen in einem
gibt Georgios Katsaros Einblicke in den Quantencomputer bräuchte man jedoch
Stand der Forschung und die Zukunft des logische Qubits.
Quantencomputers.
In einem klassischen Computer arbeiten
Wie beurteilen Sie den aktuellen die Transistoren erstaunlich stabil und
Stand der Grundlagenforschung zum der Aufwand für die Fehlerkorrektur ist
Quantencomputing? nicht allzu groß. Bei Qubits hingegen ist
der Aufwand für die Fehlerkorrektur leider
Ich bezeichne mich in der Regel als enorm. Viele Forscher_innen in dem Feld
kurzfristigen Pessimisten und langfristigen sind sich einig, dass es da eine Redun-
Optimisten. Daher bin ich mit hochtra- danz von 1.000 bis 10.000 bräuchte. Das
benden Behauptungen und allgemeinen bedeutet, dass man für jedes logische
Vorhersagen sehr vorsichtig. Ich glaube, Qubit 1.000 bis 10.000 physikalische
es gibt zurzeit eine Tendenz, sehr kühne Qubits benötigen würde.
Aussagen zu tätigen und ich halte das für
sehr gefährlich.
Dennoch denke ich, dass wir auf jeden
Fall in aufregenden Zeiten leben. Moderne
Technologien haben es uns ermöglicht, mit
Objekten zu spielen, von denen wir nie zu
träumen gewagt hätten. Und sie lässt uns
weiterträumen, dass wir eines Tages in der
Lage sein könnten, einen echten Quanten- Die Frage ist nun, wie viele Qubits man
computer zu bauen. bräuchte, um etwas Sinnvolles zu tun.
Einige Informatiker_innen und Quanten-
Warum sind Sie trotz der großen physiker_innen, die Quantenalgorithmen
Fortschritte, die in den letzten Jahren in entwickeln, schätzen diese Zahl auf etwa
der Quantentechnologie erzielt wurden, 100 logische Qubits. Dies würde optimis-
skeptisch, was die Entwicklung auf tisch betrachtet 100.000 physikalische
diesem Gebiet angeht? Qubits bedeuten. In einem kürzlich im
Journal Science erschienenen Artikel
Ja, es hat in den letzten Jahren erstaunli- haben Forscher_innen ein Experiment mit
che Fortschritte gegeben! Allerdings muss 60 supraleitenden physikalischen Qubits
man ein wenig vorsichtig sein, denn in vorgestellt. Ein erstaunliches Ergebnis!
letzter Zeit ist die Definition von Quanten- Aber das relativiert die Perspektive auf die
computern vage geworden. Auf die Frage Fortschritte in dem Feld.
„Was ist ein Quantencomputer?“ würde
Ihnen wahrscheinlich jede Person in Hieße das, wir sollten nicht daran arbeiten?
diesem Gebiet eine andere Antwort geben. Nein! Und natürlich sollten wir träumen.
Und einige werden Ihnen sagen, dass es Ich bin mir ziemlich sicher, dass auch
bereits einen Quantencomputer gibt. die Leute, die 1947 in den Bell Labs den
ersten unansehnlichen Germanium-Tran-
Was ich unter dem Begriff „Quanten- sistor erfanden, davon träumten, dass sich
computer“ verstehe, ist ein universeller, dieses hässliche Ding eines Tages in ein
fehlertoleranter Quantencomputer, den großartiges Gerät verwandeln würde, das
es einfach noch nicht gibt. Wir sind nicht unser Leben revolutionieren würde. Aber
14wir sollten auch sehr realistisch sehen, „perfekte“ Qubit oder zumindest ein viel
wo wir stehen und wie viel wir noch tun besseres zu konstruieren.
müssen, um dorthin zu gelangen.
Was halten Sie von den Investitionen, die
Was wäre Ihrer Meinung nach ein private Unternehmen in die Forschung
vielversprechender Weg, um das an Quantencomputern stecken?
Problem zu lösen, dass so viele physi-
kalische Qubits benötigt werden, um ein Man muss sehr vorsichtig sein mit dem
logisches Qubit zu konstruieren? Verhältnis von öffentlichen und privaten
Geldern. Ich würde mir wünschen, dass
Eine Möglichkeit besteht darin, mit exper- der größte Teil der Finanzierung vom
imentellen Plattformen zu arbeiten, die auf Staat kommt, aber private Unternehmen
etablierten Siliziumtechnologien basieren sind sehr wichtig und willkommen, einen
und relativ einfach skalierbar sind. Ein Beitrag zu leisten.
Beispiel sind Loch-Spin-Qubits in Germa-
nium. Eine andere Möglichkeit wären Dennoch sollten sie nicht in der Lage sein,
topologische Qubits, da sie sehr fehlerres- die Richtung der Forschung zu diktieren.
istent sein sollten. Vielleicht bräuchte man Wenn ich mich für etwas interessiere, das
nur 300 solcher physikalischen Qubits vielleicht nichts mit Quantencomputern zu
für jedes logische Qubit. Allerdings gibt tun hat, möchte ich trotzdem in der Lage
es diese noch nicht. Es muss noch viel sein, daran zu forschen. Wenn man einen
Grundlagenforschung betrieben werden, völlig anderen Weg einschlägt, kommt man
bevor wir das erste topologische Qubit vielleicht zu einer besseren Lösung.
realisieren können. Microsoft ist zentral an
der Arbeit daran beteiligt. Jedoch bin ich Und was halten Sie von den Versprech-
mir nicht sicher, ob das wirklich funktion- en dieser Unternehmen, was mit ihren
ieren wird. Quantencomputern alles möglich sein
sollte?
Worauf beruhen Ihre Zweifel?
Wenn Sie die Webseite eines Unterneh-
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft mens öffnen, das an Quantencomputern
besteht keine Einigkeit darüber, ob die arbeitet, sieht man Themen wie Gesund-
Existenz von Majorana-Nullmoden – den heit, Umwelt und Klimawandel – viele
Bausteinen topologischer Qubits – allgemeine Schlagworte. Wenn wir jedes
überhaupt schon nachgewiesen wurde. Jahr große Fortschritte versprechen und
Darüber hinaus besteht kein Konsens diese nicht halten, werden die Leute nicht
darüber, ob diese Qubits tatsächlich gegen mehr an unsere Versprechen glauben und
Fehler immun wären. die Mittel werden versiegen. Wenn wir
andererseits nichts versprechen, werden
Was Majorana-Nullmoden in Nanodrähten wir auch kein Geld bekommen.
betrifft, so diskutiert die Wissenschaft fast
zehn Jahre nach den ersten Berichten über Für mich ist dies das zentrale Problem
Signale dieser Moden immer noch darüber, unserer Zeit. Heutzutage ist Hype notwen-
ob sie gesehen wurden oder nicht. Und dig, um Aufmerksamkeit und Finanzierung
wenn Sie mich fragen, bezweifle ich, dass zu erhalten. Ich halte das für gefährlich.
man sie in Nanodrähten gefunden hat. Es ist viel besser, wenn wir uns auf das
Wesentliche konzentrieren und versuchen,
Um diese Phänomene zu verstehen, bestmögliche Forschung zu betreiben.
müssen wir noch viel tiefer in die Grundla- Wissenschaftliche und technologische
gen der Physik eindringen. Vielleicht werden Fortschritte sind möglich, aber in viel
wir eines Tages etwas finden, einen neuen kleineren Schritten als oft versprochen
Mechanismus, der es uns ermöglicht, das wird.
15Die Zukunft der
Quantencomputer
Im Jahr 2019 gab Google einen Meilenstein versprechen für die nächsten Jahre einen
in der Entwicklung von Quantencomputern raschen Anstieg der Anzahl der Qubits in
bekannt. Ihre Forscher_innen behaupt- ihren Quantencomputern. Sie beschwören
eten, die „Quantum Supremacy“ erreicht wundersame Anwendungsgebiete wie die
zu haben. Das heißt, sie konnten mit Entwicklung neuer Medikamente durch
ihrem Quantencomputer eine Berechnung Simulation von Proteinfaltung, effizientere
viel schneller durchführen als mit einem Batterien durch neue Materialien und große
klassischen Supercomputer. Fortschritte beim maschinellen Lernen.
In ihrem Experiment verwendeten sie einen Ob solche Maschinen mit Tausenden und
Quantencomputer mit 54 supraleitenden Millionen von Qubits tatsächlich gebaut
Qubits, um in 200 Sekunden Berechnun- werden können und einen beständigen
gen durchzuführen, für die ein klassischer Rechenvorteil gegenüber klassischen
Computer 10.000 Jahre bräuchte. Dieses Supercomputern bieten, bleibt abzuwarten.
Ergebnis wurde von Googles Konkurrente Ähnlich wie bei der künstlichen Intelligenz,
im Wettbewerb um den ersten Quanten- die in den letzten Jahrzehnten zwischen
computer, IBM, sofort in Frage gestellt. Hype und Flaute wechselte, könnten
IBM konnte die Gegenbehauptung jedoch Versprechungen, die zu schön sind, um
nicht durch ein Experiment belegen, das wahr zu sein, dem Feld letztendlich mehr
zeigen sollte, dass die klassische Berech- schaden als nutzen. Wenn der Hype
nung nicht so lange dauern würde. nachlässt und sich die Finanzierung
abwendet, bevor die Technologie die
Streitigkeiten wie diese über die Ergebnisse Noisy Intermediate-Scale Quantum Ära
der neuesten Technologien verdeutlichen hinter sich gelassen hat, wird es noch
die offene Zukunft der Quantencomputer. länger dauern, bis sie ihr volles Potenzial
Große Unternehmen wie Google und IBM entfalten kann.
16Anhang
Index
Klassischer Computer ....................................................................................................... 4
Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Ära ................................................................ 6
Physisches Qubit ............................................................................................................... 6
Quantum Bits ..................................................................................................................... 4
Quantum Supremacy ...................................................................................................... 16
Quantensimulation ............................................................................................................ 6
Qubits ................................................................................................................................ 4
Shor-Algorithmus ............................................................................................................... 5
Superposition .................................................................................................................... 4
Verschränkung ................................................................................................................... 5
Virtuelles Qubit .................................................................................................................. 6
Weiterführende Links Pressekontakt
Quantum Computation and Quantum Michaela Klement
Information. Michael A. Nielsen, Isaac michaela.klement@ist.ac.at
L. Chuang, Massachusetts Institute of +43 664 8832 6310
Technology, December 2010.
Die Illustration der Qubit-Systemen kann
Here, there and everywhere. Quantum von Medien nach Rücksprache mit IST
technology is beginning to come into its Austria verwendet werden. Weitere Materi-
own. The Economist. Mar 11, 2017. alien finden Sie auf der Website des IST
Austria.
Beyond quantum supremacy: the hunt for
useful quantum computers. Nature. Oct 2,
2019.
How to get started in quantum computing.
Nature. Mar 1, 2021.
Google wants to build a useful quantum
computer by 2029. May 19, 2021.
Quantencomputer: Zeitplan, Meilensteine,
Herausforderungen, Hype. Science Media
Center Germany. Jul 21, 2021.
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