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Interview mit Prof. Markus Ternes

Hoffnung auf skalierbare Quantencomputer

26. Juli 2021, 11:21 Uhr   |  Heinz Arnold

Hoffnung auf skalierbare Quantencomputer
© Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Prof. Markus Ternes, Quantenphysiker am Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen: »Wir können, wie das Experiment gezeigt hat, tatsächlich Atome auf einer Oberfläche in einen verschränkten Zustand bringen; daraus könnte sich ein neuer Typ von Quantencomputern entwickeln.«

Ein aufsehenerregendes Experiment hat jüngst gezeigt, dass Qubits sehr stabil sein können. Im Interview mit Markt&Technik erklärt einer der Initiatoren des Experiments, was dahinter steckt und warum Hoffnung auf reale Quantencomputer besteht.

Markt&Technik: Sie haben ein Experiment durchgeführt, das Folgendes gezeigt hat: Ein System aus zwei verschränkten Atomen, die auf einer Oberfläche eng nebeneinander platziert sind, verliert selbst unter Elektronenbeschuss seinen verschränkten Zustand nicht. Warum ist das interessant?

Prof. Markus Ternes, Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen: Die Grundidee ist es, Atome auf einer Oberfläche eng nebeneinander zu platzieren und zu verschränken. Das geht mithilfe der Tunnelmikroskopie recht einfach. Es ist uns gelungen, zwei Atome im Abstand von nur 1 nm auf eine Oberfläche zu setzen und zu verschränken, sodass sie intern zwischen zwei benachbarten Energieniveaus oszillieren können. Das Problem ist aber: Wie spricht man die Atome an, um die Quantenzustände zu manipulieren und auszulesen? An ein Atom kann man ja keinen Draht löten. Wir haben nun eine Methode gefunden, wie es funktioniert.

Das verspricht einen neuen Typ von Quantencomputern?

Wir können, wie das Experiment gezeigt hat, tatsächlich Atome auf einer Oberfläche in einen verschränkten Zustand bringen. Daraus könnte sich ein neuer Typ von Quantencomputern entwickeln.

Wenn Sie Elektronen fließen lassen und daraus auf den Zustand des verschränkten Systems schließen, dann hätten Sie ja eine Messung durchgeführt. Folglich muss der verschränkte Zustand zusammenbrechen, ähnlich wie es beim Öffnen der Kiste geschieht, in der Schrödingers Katze sitzt. Warum ist das nicht der Fall?

Das war selbst innerhalb unserer Gruppe vor dem Experiment sehr umstritten. Einige sagten, es handele sich um eine Messung, also wird die Verschränkung zusammenbrechen. Aber das Experiment hat jetzt eindeutig gezeigt: Die Verschränkung bleibt bestehen.

Es handelt sich also nicht um eine Messung. Wie ist das zu erklären?

Es ist keine Messung, weil wir dadurch keine Information über das System an sich erhalten. Am Beispiel von Schrödingers Katze: Wir machen den Deckel nicht auf, wir schütteln nur die Kiste ein bisschen. Daraus können wir schließen, dass die Wahrscheinlichkeit nicht exakt 50 Prozent beträgt, dass sie lebt oder tot ist, sondern dass sie beispielsweise etwas höher liegt. Sicher kann man sich aber nur sein, wenn der Deckel tatsächlich geöffnet wird.

Wie funktioniert die Nicht-Messung?

Der Trick besteht darin, dass wir ultrakurze Elektronimpulse wie kleine Pakete senden. In einem Paket befinden sich nur drei oder vier Elektronen. Wären es Millionen von Elektronen, dann läge tatsächlich eine Messung vor.

Der Markt für Quantentechnologien wird in dieser Dekade von 340 Mio. Dollar auf voraussichtlich 2,9 Mrd. Dollar steigen.
© Yole Développement

Der Markt für Quantentechnologien wird in dieser Dekade von 340 Mio. Dollar auf voraussichtlich 2,9 Mrd. Dollar steigen.

Atome auf einer Oberfläche sehr eng nebeneinander zu platzieren ist ein neues Verfahren, um Qubits zu realisieren. Was sind die Vorteile gegenüber anderen bekannten Verfahren, etwa supraleitende Schleifen mit Josephson-Kontakten und Ionenfallen?

Unsere Methode verspricht, skalierbar zu sein. Die Ausdehnung von Josephson-Kontakten liegt im Bereich von Mikrometern, Ionenfallen sind ebenfalls sehr aufwändig und relativ groß. Wir arbeiten dagegen mit einzelnen Atomen und können das erprobte und schon lange bekannte Verfahren der Tunnelmikroskopie nutzen. Wie mit Oberflächen umzugehen ist, kennen wir aus der Halbleitertechnik, das ist ebenfalls nichts Neues. Es sieht deshalb so aus, als ob wir weit mehr Qubits auf engen Raum pferchen können, als es mit den anderen Techniken möglich wäre. Das ist aber erst ein allerster Schritt in diese Richtung, wenn auch ein sehr ermutigender. Aber Ionenfallen und Josephson-Kontakte sind sehr gute Verfahren, und es ist erstaunlich, was damit bereits möglich ist.

Bei welcher Temperatur wurde der Versuch durchgeführt?

Das ist ein weiterer Vorteil: Wir müssen nur auf 1 K kühlen, damit liegen wir weit oberhalb der Temperaturen im Milli-Kelvin-Bereich, auf die etwa die Atome in Ionenfallen gekühlt werden müssen. Damit verringert sich der Aufwand für die Kühlung, aber auch der Aufwand für die Verbindung zwischen dem gekühlten Qubit-Array und der Steuerelektronik könnte sich verringern.

Wie lang kann der verschränkte Zustand aufrechterhalten werden?

Die Kohärenzzeit liegt im Bereich von Nanosekunden. Das ist natürlich noch viel zu kurz. Aber die wichtige Neuigkeit ist, dass wir die Atome als Qubits ansprechen können. Die Kohärenzzeit zu verlängern ist durchaus machbar.

Quantencomputer gelten als Wundermaschinen, die um viele Größenordnungen schneller rechnen könnten als herkömmliche Computer. Wirklich gezeigt wurde das aber noch nicht...

...die Quantencomputer befinden sich im Stadium der Grundlagenforschung. Wenn es um die Lösung sehr spezifischer Probleme geht, sind sie den herkömmlichen Computern tatsächlich haushoch überlegen – jedenfalls theoretisch. Die rund 50 Qubits, die sich derzeit höchstens erzeugen lassen, reichen aber nicht aus, um wirklich sinnvolle praktische Aufgaben zu lösen. Ob Quantencomputer in der Realität tatsächlich schneller sein werden, konnte noch nicht einmal auf dem Gebiet ihrer Paradedisziplin, der Faktorisierung großer Zahlen, gezeigt werden. Auch wenn immer mal wieder Meldungen über die sogenannte Quantum Supremacy durch die Medien geistern.

Das klingt ziemlich ernüchternd …

… weil die Technik eben erst am Anfang steht. Ernüchterung kann höchstens eintreten, weil zuvor vollkommen überzogene Hoffnungen geschürt wurden. Wie bereits gesagt, ist es erstaunlich, wie weit beispielsweise Quantencomputer auf Basis von Ionenfallen sind und was schon möglich ist.

Wo sehen Sie erste Anwendungen für die reale Welt, in denen das von Ihnen vorgeschlagene Prinzip einmal eine Rolle spielen könnte?

In der Quantensimulation. Im Prinzip funktioniert das so: Man untersucht ein System aus wenigen Teilchen auf Basis der Quantenmechanik. Daraus lassen sich Schlüsse auf Systeme mit vielen Teilchen ziehen, wenn man das System aus wenigen Teilchen auf bestimmte Eigenschaften hin untersucht. Auf diese Weise könnte sich zum Beispiel klären lassen, welches die wesentlichen Eigenschaften eines Materials sind, um etwa zu einem Hochtemperatursupraleiter zu werden. Das wäre nicht nur für die Grundlagenforschung sehr interessant, mit diesen Informationen könnte sich vielleicht sogar der Traum realisieren lassen, ein Rezept zu erstellen, um Hochtemperatursupraleiter zu synthetisieren, die bei Zimmertemperatur funktionieren. Das ließe sich auf viele andere Bereiche übertragen, in der Elektrochemie beispielsweise, um neue Materialien zu finden, die Batterien, PV-Zellen oder Brennstoffzellen verbessern. Der Vorteil unserer Methode wäre dabei, dass wir auf Atomebene simulieren können. Unser System verspricht deshalb, hochskalierbar zu sein, und es verwendet herkömmliche Methoden, um die Qubits kostengünstig herzustellen.
 

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