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"Computer per Gedanken steuern" Was die neue Quantenwelt verspricht

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Blick ins Innere des Quantencomputers am Forschungszentrum Jülich.

(Foto: FZ Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Sie sollen das Informations-Zeitalter auf ein neues Level heben: Qubits. Die winzigen Einheiten sind das Herz von Quantencomputern und zugleich vielseitig anwendbar. Auch in Deutschland tüftelt man an der neuen Technik. Die Möglichkeiten scheinen vielversprechend.

Die Liste der erhofften Wunder ist lang: Ein Sensor, der Grundwasser vom Orbit aus aufspürt. Eine Kappe, die Gedanken liest. Ein Computer, der eine Aufgabe binnen Minuten löst, für die selbst die größten Superrechner Jahrzehnte bräuchten. Das alles soll künftig dank der Quantentechnologie möglich werden. Sie hat das Zeug dazu, den Alltag umzuwälzen, da sind sich Experten einig.

Das menschliche Vorstellungsvermögen gerät schnell an seine Grenzen, wenn es um Effekte aus der Quantenphysik geht. Und doch: Physiker können in ihren Labors einzelne Atome, Elektronen oder Lichtteilchen so präzise kontrollieren, dass darauf superschnelle Rechner, extrem präzise Sensoren und sichere Kommunikationswege aufgebaut werden können.

Das ehrgeizigste Ziel ist der Quantencomputer. Er soll alles können, was ein normaler Rechner kann - nur sehr viel schneller. Seine Stärke erwächst aus dem "Qubit". Heutige Computer nutzen als kleinste Recheneinheit das sogenannte Bit. Dieses kann jeweils nur den Wert 0 und 1 haben. Das Qubit hingegen nutzt die sogenannte Superposition und rechnet mit beiden Werten simultan.

Google gelingt wichtiger Beweis

Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Zahl der parallel verarbeitbaren Daten. Mit ein paar Hundert Qubits ist diese Zahl schon größer als die Anzahl der Atome im Universum. Dass die Wundermaschine wirklich fix rechnet, bewies Google im vergangenen Jahr. Sein Quantenchip löste eine Aufgabe in wenigen Minuten, für die ein Superrechner Jahrtausende gebraucht hätte - und das mit nur 53 Qubits.

Einen praktischen Nutzen hatte die Rechenaufgabe zwar nicht, aber das soll sich ändern: Denkbare Einsatzgebiete für künftige Quantenrechner liegen zum Beispiel darin, optimale Lösungen in einem Heuhaufen an Möglichkeiten zu finden oder neue Algorithmen in der künstlichen Intelligenz zu ermöglichen, die viel schneller lernen.

Am Forschungszentrum Jülich entsteht derzeit ein Computer im Rahmen des Projekts OpenSuperQ - der erste dieser Art in Europa. "Wir testen gerade einen sehr einfachen Quantenchip mit zwei Qubits", erklärt David DiVincenzo, Direktor des Bereichs Theoretische Nanoelektronik des Peter Grünberg Instituts am FZ Jülich. Warum nur zwei Qubits, wenn der Google-Rechner schon bei 53 ist? Europa will sich die Technologie selbst erarbeiten und muss daher bei null anfangen, will aber schnell aufholen. Ein zusätzlicher Chip mit sieben Qubits soll bald eingebaut werden. Weitere werden folgen.

Neue Materialien schneller entwickeln

"Wir brauchen noch einige Jahre, bis wir mit dieser Maschine einen Quantenvorteil erlangen können", sagt David DiVincenzo. Mit "Quantenvorteil" meint er erste nutzbringende Anwendungen - konkret: Mit rund 100 Qubits wollen die Forscher mit OpenSuperQ vor allem chemische Verbindungen und deren Reaktionen simulieren - und zwar rascher und genauer als jeder Supercomputer. Industrieunternehmen wie Merck oder BASF sondieren schon, wie sie mit Quantenrechnern schneller neue Wirkstoffe oder bessere Materialien, etwa mit höherer Festigkeit, entwickeln können.

Die Qubits allerdings lassen sich nicht gut bändigen. Das Hauptproblem für die Wissenschaftler: Nach Sekundenbruchteilen verlieren Qubits ihre Fähigkeit, Werte simultan zu speichern. Denn Quanten sind sehr empfindlich und können leicht gestört werden, sodass die Superposition zusammenbricht und Rechenfehler passieren.

Deswegen müssen die Qubits in großen Kühlapparaten so gut wie möglich von der Außenwelt abgeschirmt und stabilisiert werden. Doch das ist aufwendig und gelingt nur begrenzt. Wenn die Qubits stabiler wären, ließen sie sich zu Zehntausenden verknüpfen, so die Hoffnung der Forscher. Und das ist die Zahl von Qubits, die nach Expertenschätzung für einen "richtigen", universell einsetzbaren Quantencomputer nötig sein wird.

Mini-Sensoren könnten Tumore kartieren

Dass Qubits solche Mimosen sind, lässt sich auch nutzen: für besonders empfindliche, genaue und miniaturisierte Sensoren - ein weiteres Ziel der Quantentechnologie. Wegen ihrer geringen Größe können Atome an unzugänglichen Orten eingesetzt werden, selbst im Körperinneren. Dort könnten spezielle Sensoren, die auf der Quantentechnologie basieren, genutzt werden, um beispielsweise Tumore zu kartieren. Der große Vorteil: Alle Teilchen einer Art sind identisch und reagieren auf gleiche Reize gleich. Ein "Quantensensor" spart daher die regelmäßige Eichung, die Natur justiert ihn.

Arne Wickenbrock vom Helmholtz-Institut Mainz nutzt Stickstoffatome als Sensoren, die in einen Diamanten eingebettet sind. Das Atom verhält sich wie eine Kompassnadel, die auf winzige Magnetfelder reagiert. "Bezogen auf sein Volumen hat dieser Sensor die weltweit größte Empfindlichkeit", sagt der Physiker. Die Hülle aus Diamant schirmt ihn gegen störende Umwelteinflüsse ab, sodass er auch im menschlichen Körper funktionieren würde.

"Man könnte sogar Gehirnströme genau genug messen, um Computer per Gedanken zu steuern", nennt Arne Wickenbrock eine weitere Vision. Und: Weil sich die Orientierung der atomaren Kompassnadel präzise bestimmen lässt, will sein Forscherteam damit millimetergenaue Navigationsgeräte ermöglichen. Sie könnten beispielsweise autonome Autos auch dann in der Spur halten, wenn der Kontakt zum Satelliten abreißt - im Tunnel etwa.

Grundwasserspiegel aus dem All ermitteln

Den Gipfel an Präzision erreichen Quantensensoren wohl bei der Messung der Schwerkraft. Atome als Gravitationssensoren sind empfindlich genug, um selbst aus dem All eine Veränderung des Grundwasserspiegels zu erkennen, davon sind Wissenschaftler überzeugt. Der Sensor arbeitet mit der Wellennatur, die Atome gemäß Quantenphysik haben. Die Wellenlänge der Teilchen ist 10.000-mal kleiner als die von Licht. Die Welle wirkt, grob gesagt, wie ein äußerst feiner Zollstock, mit dem sich die Länge des Weges bestimmen lässt, den ein Atom nimmt. Feinste Unterschiede in der Schwerkraft ändern die Weglänge, die frei fallende Atome in einer bestimmten Zeit zurücklegen. So lassen sich minimale Unterschiede in der Gravitation bestimmen.

"Wir entwickeln einen gravimetrischen Quantensensor, der zehnmal genauer ist als die besten derzeit verfügbaren Sensoren", sagt Wolfgang Ertmer vom Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Rein rechnerisch könnte man damit die Schwerkraft, die von einem menschlichen Körper ausgeht, noch in einem Kilometer Abstand messen.

Diese Präzision biete faszinierende Möglichkeiten, so der Physiker, etwa die Untersuchung des Innern des Planeten Mars. Denn unterschiedliche Materialien unter der Planetenoberfläche wirken sich auf die örtliche Schwerkraft aus. Noch interessanter aber findet er die Chance, offene Rätsel der Physik zu lösen, etwa ob die Gesetze der Schwerkraft für äußerst kleine Massen noch gelten. Dieses Wissen könnte dabei helfen, eine Lücke zu schließen, die schon lange im physikalischen Weltbild klafft: Bislang gelang es nicht, Quantenphysik und Einsteins Theorie der Gravitation zu vereinen. Wenn zwei Modelle unter einen Hut kommen, ergeben sich oft ganz neue Einsichten. Somit könnte die Quantentechnologie nicht nur den Alltag verändern, sondern auch das Weltbild.

Weiterlesen: Dieser Artikel erschien zuerst im Magazin "Helmholtz Perspektiven" und auf helmholtz.de.

Quelle: ntv.de, Christian Meier/helmholtz.de