Die Computerwelt schaut gebannt auf die Forschung der Quantenphysik. Bonner Physiker arbeiten mit Hochdruck an einem Quantenrechner. Werden Quantenrechner tatsächlich die nächste Technikrevolution auslösen? //Von Giuliano Roper und Lukas Schröter
19.07.2017//Im Labor der Forschungsgruppe für Quantentechnologie an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn stehen zwei Tische, vollgepackt mit kleinen Linsen und Spiegeln. Sie sind alle millimetergenau ausgerichtet. Das Herz des Versuchsaufbaus ist eine runde, silberne Vakuumkammer. In dieser Kammer befinden sich die Cäsium-Atome, auf die der Quantenrechner aufgebaut werden soll. "In dem Aufbau steckt jahrelange Arbeit", so Carsten Robens vom Institut für angewandte Physik. Er hat vor kurzem seine Doktorarbeit in der Projektgruppe von Professor Andrea Alberti geschrieben. Mittels Lasertechnik werden die Atome hier stark abgekühlt und sortiert. Das Ziel der Forschung ist es, einen vollwertigen und einsatzbereiten Quantencomputer zu bauen.
Kühlung durch Lasertechnik
Es mag widersinnig erscheinen, Laser zur Kühlung einzusetzen. Aber auf atomarer Ebene ist Temperatur nichts anderes als ein Maß für die Bewegung der Teilchen. Der Laser beschießt das Atom mit Photonen. Diese werden von dem Atom absorbiert und übertragen dabei einen Impuls in Richtung des Lasers, welcher das Atom verlangsamt. Cäsium-Atome wurden von den Bonnern gewählt, weil sie vergleichsweise schwer sind und sich aufgrund der Trägheit besser kontrollieren lassen. "Der Laser ist wie ein Wasserstrahl der eine fliegende Kugel bremst", sagt Robens.
Mit mehreren Lasern kann so das Cäsium in alle Richtungen gebremst werden und dadurch Temperaturen nah am absoluten Nullpunkt erreichen. Das Gleiche machen Robens und seine Kollegen mit allen weiteren Atomen. So können die Atome in eine räumliche Nähe gebracht werden, die für den nächsten Schritt notwendig ist.
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- Cäsium-Atome befinden sich in der silbernen Vakuumkammer; Foto: Lukas Schröter
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- Blicke in das Labor der Forschungsgruppe Quantentechnologie mit Carsten Robens; Foto: Lukas Schröter
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- Die Linsen werden per Hand eingestellt; Foto: Lukas Schröter
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- Der Aufbau besteht aus Linsen, Lasern und einer Vakuumkammer; Foto: Lukas Schröter
Sortieren durch Mikrowellen
Die Bonner Forscher setzen dabei auf Mikrowellenstrahlung, mit der sie die Drehrichtung der Atome beeinflussen können. Diese quantenmechanische Eigenschaft der Atome wird Spin genannt. Atome können gezielt auf "Spin Up" oder auf "Spin Down" gestellt werden. Nun können mittels eines Laserstrahls entweder alle Atome mit "Spin Up" oder mit "Spin Down" verschoben werden. Das funktioniert wie auf zwei gegenläufigen Förderbändern. Der große Vorteil gegenüber anderen Quantenrechnerarchitekturen ist, dass es egal ist, wie viele Atome auf einem der Förderbänder sind. Ob Hundert oder Tausend macht zeitlich kaum Unterschied.
Wettlauf der Architekturen
Die Entwicklung des Quantencomputers steht noch am Anfang und es gibt verschiedene Wege, auf denen Wissenschaftler versuchen, den Quantencomputer zu realisieren. Statt mit neutralen Atomen, wie dem Cäsium, versuchen andere Forscher es mit geladenen Ionen und wieder andere mit synthetisch hergestellten Supraleitern. Es findet ein Wettlauf zwischen den Wissenschaftlern statt, welcher entscheidet wessen Quantenrechnerarchitektur sich durchsetzt. Und die Bonner haben Konkurrenz in Technologie-Giganten wie Google oder IBM. In diesem Wettlauf sind Google und IBM derzeit an der Spitze. Aber auch in Bonn werden Fortschritte erzielt und es ist noch nicht entschieden, welche Technologie sich durchsetzt.
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Quantenrechner und Verschlüsselung
Derzeit weiß niemand genau, was man alles in Zukunft mit Quantencomputern machen wird.
Ein populäres Beispiel ist die Ver- und Entschlüsselung von Daten. Diese bedient sich eines mathematischen Problems. Der Sender und Empfänger haben je eine sehr große Primzahl, die als Schlüssel fungiert. Gemeint sind Primzahlen mit mehreren Hundert Dezimalstellen. Nun werden die beiden Zahlen multipliziert und es ergibt sich eine neue Zahl. Kennt ein Außenstehender nur die neue Zahl, ist es praktisch unmöglich für heutige Rechner, zeitnah auf die beiden Primzahlen zu kommen.
Sie müssten jede Kombination zweier Primzahlen ausprobieren, bis sie die neue Zahl herausfinden. Heutige Rechner brauchen dafür Jahre. Quantenrechner hingegen könnten diese Rechenoperationen in Minuten erledigen. Das würde die derzeitige Sicherheitstechnik, was unsere Kommunikation und das Online-Banking angeht, auf einen Schlag aushebeln.
Irene Rothe, Professorin für Informatik an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, sieht die davon ausgehende Gefahr eher gering: "Ein Quantenrechner würde unsere heutigen Verschlüsselungen unbrauchbar machen. Aber das wäre nicht so schlimm, da es schon neue Ideen gibt, wie man mit Quantenkryptografie sicher verschlüsseln kann".
Was hat der Rechner auf dem Kasten?
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Es ist unwahrscheinlich, dass ein Quantencomputer in den nächsten Jahren allgemeine Verwendung findet. Das liegt an den Schwächen des Quantencomputers. Im Vergleich zu klassischen Rechnern sind sie bei Anwendungen, bei denen das parallele Rechnen nicht notwendig ist, eher langsam. Für Kommunikation, Unterhaltung und die meisten Arbeiten eignen sich Binärrechner besser. Auch sind Quantencomputer sehr empfindlich gegenüber Einflüssen der Umwelt. Die Quantenzustände, werden von Licht und anderen elektromagnetischen Strahlungen beeinfluss. Die Herausforderung besteht darin, ein sehr gut abgeschirmtes System zu bauen, das man gleichzeitig von außen steuern und messen kann. Selbst wenn es gelingt einen Quantencomputer zu bauen, wird er deutlich teurer sein als ein herkömmlicher Rechner.
Die Stärken des Quantencomputers liegen bei der Lösung von Problemen, die zu komplex für private Anwendungen sind. Theoretisch soll ein Quantenrechner diese bis zu 100 Millionen Mal schneller als derzeitige Rechner lösen können. Vorausgesetzt es gibt einen geeigneten Algorithmus.
Besonders großes Potential für Quantenrechner sehen die Bonner in Quantensimulationen im Bereich der Material- und Biowissenschaften.
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Rothe sieht noch weitere Anwendungsgebiete: "Durch seine größere Rechenleistung wären aufwändigere Simulationen möglich, die zum Beispiel nützlich für Wettervorhersagen sind".
Giuliano Roper
Lukas Schröter
