Fraunhofer-Gesellschaft

Die vier Säulen der Quanten-Technologie

2. Dezember 2020, 14:09 Uhr | Gerhard Stelzer

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Von Quanten-Sensoren zu Quanten-Computern

Prof. Dr. Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und Sprecher »Fraunhofer Strategisches Forschungsfeld Quanten-Technologien«.
Prof. Dr. Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und Sprecher »Fraunhofer Strategisches Forschungsfeld Quanten-Technologien«.
© FhG IAF

Prof. Dr. Oliver Ambacher, Leiter des Fraunhofer Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und Sprecher »Fraunhofer Strategisches Forschungsfeld Quanten-Technologien« hatte in der Fraunhofer-Publikation Forschung kompakt zu den Einsatzmöglichkeiten der Quanten-Sensorik und ihrer Rolle für das Quanten-Computing ein Interview gegeben. Es folgen Auszüge seiner Aussagen:

Quanten-Sensoren sind sehr klein und empfindlich und können deswegen kleinste Signale mit höchster Ortsauflösung messen. Das ist zum Beispiel wichtig in der Halbleiterindustrie zur Untersuchung nanoelektronischer Schaltungen. Wenn diese nicht funktionieren, ist die Fehlersuche heute oft schwierig. Fraunhofer-Forscher haben Quanten-Sensoren auf Basis von Diamant entwickelt, die zusätzlich den Vorteil haben, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Akzeptanz von Quanten-Sensoren im Markt.
Auch in der Medizin kann man Quanten-Sensorik einsetzen. Im Moment werden Gehirnströme mit Hilfe von Supraleitern gemessen, die aufwendig mit Flüssighelium gekühlt werden müssen und sehr große Apparaturen erfordern. Mit Quanten-Sensoren bräuchte man vielleicht künftig statt riesiger Hauben nur noch eine dünne Sensorfolie auf dem Kopf, um die Messung durchführen zu können. Es geht also um eine geringere Belastung für die Patienten und auch ein kostengünstigeres Prozedere für die Kliniken.

In der Medizintechnik werden heute schon supraleitende Sensoren eingesetzt, um Gehirnverletzungen oder Gehirntumore zu finden oder nach Schlaganfällen Gehirnaktivitäten zu messen. Auch in der Nanoelektronik ist die Quanten-Sensorik schon angekommen, um die Fehleranalyse an modernen elektronischen Schaltungen durchführen zu können. Eigentlich hat derzeit schon die zweite Generation der Quanten-Technologie begonnen und jetzt Forschungsfragen gestellt wie: Wo ist noch Raum für weitere Verbesserungen? Was braucht die Industrie? Welche weiteren Anwendungen lassen sich noch erschließen?

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Quanten-Sensoren bei Raumtemperatur

Diamantplättchen spielen eine wichtige Rolle bei der Kühlung: Sie werden genutzt, um Quantencomputer künftig bei Raumtemperatur einsetzen zu können.
Diamantplättchen spielen eine wichtige Rolle bei der Kühlung: Sie werden genutzt, um Quantencomputer künftig bei Raumtemperatur einsetzen zu können.
© FhG IAF

Ein Problemfeld sei noch die Kühlung: »Wir arbeiten gerade stark daran, Quanten-Sensoren bei Raumtemperatur einsetzen zu können«, stellt Ambacher fest. Das würde die Anwendungsfelder verbreitern und die Integration in die Industrieprozesse erleichtern. »Wir nutzen dafür Diamant, weil der Kohlenstoff sehr leicht ist und sehr hart im Kristall gebunden ist. In dem Diamantgitter fangen wir mit einer Stickstoffvakanzstelle ein einzelnes Elektron ein, positionieren und kontrollieren es. Das Elektron ist unser Sensor für den Nachweis schwacher magnetischer Felder«, ergänzt Ambacher. Die Wechselwirkung der schwingenden Kohlenstoffatome in Diamant mit dem Elektron ist sehr schwach, deswegen lässt sich das Elektron, einmal positioniert, sehr lange in dieser Position halten und zur Messung nutzen. Die Herausforderung dabei ist, dass die Kristalle, in denen die Elektronen eingefangen werden, höchste Qualität haben müssen. Unter einer Milliarde Atome darf höchstens ein falsches sein. Das bedingt eine hohe Kunst des Kristallwachstums.

»Wir richten drei benutzerfreundliche Quanten-Sensorik-Systeme ein, die Industrieunternehmen oder andere Forschungsinstitute für ihre Fragestellung nutzen können. Wir erhoffen uns dadurch noch viele neue Ideen zu möglichen Einsatzfeldern«, erklärt Ambacher. Der Quantensensor von Fraunhofer IAF ist im Prinzip ein Qubit, denn das Sensor-Elektron in Diamant hat zwei quantenmechanische Zustände. Es ist also – wie ein Qubit – ein 2-Niveau-System, das quantenmechanisch kontrolliert und manipuliert werden kann. »Wo wir in der Sensorik ein einzelnes Qubit als Messinstrument nutzen, müssten wir in einem Quanten-Computer 50 oder 100 nebeneinander in ein Array setzen, damit wir daraus einen Speicher oder einen Prozessor bauen können. Da also die gleichen Kompetenzen gefragt sind, haben wir durch unser Leitprojekt zur Quantenmagnetometrie die idealen Voraussetzungen geschaffen, um diese Entwicklung auch für die Realisierung von Quanten-Computern erfolgreich voranzutreiben«, erläutert Ambacher.

Europa und Deutschland müsse »sich nicht verstecken«

Die technologische Position in Europa und Deutschland ist dabei nicht zu unterschätzen. Maßgebliche Bauteile, auch Teile der Quantenprozessoren oder der Mikrowellenverstärker des IBM-Quanten-Computers, sind in Europa und Deutschland gebaut worden. Es gibt hier ein reiches Ökosystem an Forschergruppen, Start-ups, KMUs und großen Unternehmen mit weitreichenden Kompetenzen im Quanten-Computing. »Da müssen wir uns definitiv nicht verstecken«, stellt Ambacher fest. Was noch fehlt, sei eine gemeinsame Initiative. »Wir müssen unsere Kompetenzen bündeln, um gemeinsam erfolgreich einen europäischen Quanten-Computer zu entwickeln und zu demonstrieren.«

Man kann im Moment schon Limitierungen bei den existierenden Quanten-Computern erkennen, zum Beispiel was die Komplexität der Prozessoren angeht. Auch die Skalierbarkeit ist noch lange nicht gegeben. Supraleitende Quanten-Computer sind zwar im Moment die leistungsfähigsten, kommen aber aufgrund der hohen Fehlerrate nicht über 50 – 100 Qubits hinaus. Das ist deutlich zu wenig, um zukünftige Optimierungsalgorithmen rechnen zu können. Zudem gilt es, die Architektur an die Anwendung anzupassen. »Viele stellen sich vor, dass es den einen Quanten-Computer geben wird. Das ist nicht meine Sichtweise. Ich glaube, dass es ein Hybrid sein wird – also ein Quanten-Computer-Modul, das man in einen klassischen PC einbauen kann. Sie nutzen dann Ihren klassischen PC und für Fragestellungen, die dieser nicht lösen kann, können Sie Ihr Quanten-Computing-Modul dazuschalten. Dieses Modul muss dann auf Ihre jeweilige Anwendung optimiert sein«, sagt Ambacher.

Europäischer Quanten-Computer als Ziel

Der Quanten-Computer von IBM werde die Lernkurve hierzulande deutlich nach oben steigen lassen, weil sich damit direkt erste Anwendungen testen lassen. Wenn man an den klassischen Computer denkt, hat es Microsoft irgendwann geschafft, eine Software so aufzusetzen, dass man als Nutzer bequem Briefe schreiben oder Bilder bearbeiten kann. »Jetzt müssen wir für den Quanten-Computer das Gleiche leisten, um ihn für eine breite Anwenderschaft nutzbar zu machen. Wir brauchen den Zugriff auf den IBM-Quanten-Computer, damit wir überhaupt die nächste Generation für uns aufbauen und bedienen können. Deswegen ist diese Initiative wichtig und richtig«, erklärt Ambacher.

Fraunhofer habe schon ganz viele Puzzlestücke zusammen: in der Optik, in der Elektronik, in der Softwareentwicklung. »Mit dem nationalen Fraunhofer-Zentrum für Quanten-Computing und seinen regionalen Kompetenzzentren können wir in all diesen Bereich noch einmal intensive Entwicklungen vorantreiben. Außerdem führen wir derzeit viele Gespräche mit der Max-Planck-Gesellschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft. Unsere gebündelten Fähigkeiten würden von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung alles abdecken. Wenn sich unsere besten Wissenschaftler übergreifend und interdisziplinär zusammentun, dann bin ich davon überzeugt, dass wir gemeinsam mit weiteren Partnern in ein paar Jahren einen europäischen Quanten-Computer bauen können«, gibt sich Ambacher überzeugt.

Wie funktioniert Quanten-Technologie? Das Video »Die Welt der Quanten« erklärt es.

 


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  2. Wie profitiert Künstliche Intelligenz vom Quanten-Computing?
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