Das Geschäft mit dem Quantencomputer

Verschränkt, verknüpft, mal Welle und mal Teilchen: So bizarr die Welt der Quanten auch erscheinen mag, der Quantenphysik gehört laut Experten die Zukunft. Unter Extrem-Bedingungen bekommen Atome, aus denen die Welt besteht, besondere Eigenschaften, die technische Vorteile bieten. Die kleinsten Teilchen ermöglichen eine Computer-Revolution. Peter Zoller vom Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist einer der einflussreichsten Theoretiker seines Forschungsgebiets. Er gibt Einblicke in die Zukunft des leistungsstarken Quantencomputers und Ausblicke, wer von den abhörsicheren Rechnern profitieren wird.

"Wiener Zeitung": Von "Quanten-Kommunikation zwischen Wien und China" über "Quanten-Vakuum hat weniger Energie als null" bis "Quantencomputer lagert Arbeit aus" berichtet Ihr Forschungsgebiet laufend über Superlative. Wie können Laien die Bedeutung dieser Fortschritte begreifen?Peter Zoller: Die Quantenphysik ist eine der größten Erkenntnisse der Physik. Sie begann um 1900 mit Max Planck und setzte sich in den 1920er Jahren mit der Quantenmechanik als Grundlage der Kern- und Hochenergiephysik fort. Diese "erste Quantenrevolution" brachte Laser und Supraleiter. In den 1930er Jahren machten dann Albert Einstein und Erwin Schrödinger darauf aufmerksam, dass die Quantenmechanik als paradox empfundene Aussagen beinhaltet. Das berühmteste Gedankenexperiment ist Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebend und tot ist. Ausgangspunkt der heutigen "zweiten Quantenrevolution" ist, dass wir diese als Gedankenexperimente formulierten Fragen im Labor testen können. Es zeigt sich, dass die Natur sich tatsächlich so paradox verhält, wie es die Quantenmechanik vorhergesagt. Die Paradoxa sind der Ausgangspunkt von Anwendungen und Technologien wie den Quantencomputern, die mächtiger sind als herkömmliche Rechner. Damit ist eine ungemeine Aufbruchstimmung verbunden, aber oft auch ein gewisser Hype.

Ist der natürliche Zustand der Quanten ein Zwischen-Zustand zwischen "existiert" und "existiert nicht"?

Schrödinger beschreibt den Quanten-Zustand als quantenmechanische Wellenfunktion. Ihre Eigenschaft ist, dass ein Teilchen an zwei Orten gleichzeitig sein kann. Das nennen wir Überlagerungszustand. Während eine klassische Computer-Speicherzelle Null oder Eins abspeichert, kann eine quantenmechanische Speicherzelle beides zugleich sichern.

Wie schafft ein Quantencomputer Prozesse, für die ein herkömmlicher Rechner Tage bräuchte, in sehr kurzer Zeit?

Quantencomputer können auch auf ein- und derselben Hardware verschiedene Rechenwege parallel gehen. Die Rechenwege können am Ende interferieren. Diese Interferenz gibt Anlass zu neuen mächtigen Quantenalgorithmen, die Probleme lösen können, die für einen klassischen Computer praktisch unberechenbar sind.

Wo liegen die Anwendungen?

Daten werden durch Verschlüsselung geschützt. Das gilt für Banktransfers, Staatsgeheimnisse oder auch militärische Anwendungen. Quantenkryptografie erlaubt solch eine sichere Datenübertragung. Künftige Anwendungen liegen auch in der Entwicklung neuer Medikamente in der Quantenchemie, oder in Quantensensoren, wo Elemente aus der Physik der Quantencomputer dazu führen, dass wir bessere Atomuhren bauen können und damit wohl auch genauere GPS Systeme.

Die Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Silizium-Chips steigt ständig. Die Prognose für Quantencomputer?

Laut dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem klassischen Computer alle 18 Monate. Da die Bauteile aber immer kleiner sind und die damit verbundene Wärmeentwicklung immer größer wird, sind wir wohl bald am Ende dieses Gesetzes angelangt. Mit der Miniaturisierung werden aber auch quantenmechanische Effekte wichtiger. Während es vor ein paar Jahren nur Quantenrechner mit einigen wenigen Quantenbits (Qubits) gab, sind heute bis zu 50 Quantenbits Realität. Gleichzeitig müssen wir wohl betonen, dass die momentanen Quantencomputer wohl noch als "Babys" zu bezeichnen sind. Aber Babys werden letztlich erwachsen und wir sind zuversichtlich, dass damit die Versprechungen hinter den Quantencomputern Praxis werden.

In Innsbruck steht der größte Quantencomputer der Welt. Was kann er?

Die Gruppe um Rainer Blatt hat Quantencomputer und Quantensimulatoren mit bis zu 50 Qubits gebaut. Jedoch ist die Zahl der Qubits nur ein Maß. Es ist auch die Frage, wie viele Rechenoperationen ein Quantencomputer ausführen kann, bevor Fehler auftreten. Gerade hier hält Innsbruck mit einem Quantencomputer basierend auf gespeicherten Ionen Rekorde. Die Qualität der Rechenoperationen ist jenen bei Google und IBM, die auf Supraleiter setzen, voraus.

Was muss Österreich tun, damit die Profite aus den Anwendungen im Land bleiben, anstatt dass die USA heimische Forschung zur Marktreife bringen?

In den USA planen Schwesterfirmen wie IonQ und Honeywell Investitionen in Milliardenhöhe für einen Quantencomputer basierend auf gespeicherten Ionen. Es gibt auch Informationen, dass Google demnächst "Quantum Supremacy" erreichen will, indem ein Quantenrechner mit 50 Qubits einen klassischen Computer bei bestimmten Rechnungen schlägt. Es existiert eine große Asymmetrie zwischen den finanziellen Möglichkeiten in den USA und Europa. Aber mit guten Ideen und anderen Technologien können wir mit unseren Resultaten noch sehr gut mithalten.

Wenn Sie sich von der kommenden Regierung für Ihre Forschung etwas wünschen könnten, was wäre das?

Mit der Gründung des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation sind wir vor 15 Jahren auf Neuland vorgestoßen. Viele haben uns das nachgemacht. Bei den Mitteln, besonders für Labors und Raumausstattung, fällt es uns jedoch immer schwerer, mitzuhalten. Gerade in Innsbruck sind wir extrem gewachsen. Seit langer Zeit wünschen wir uns ein neues Haus der Physik. Und wir wünschen uns eine Exzellenzinitiative, wie sie in Deutschland existiert, da unsere Gruppen die Rahmen der Forschungsfinanzierung sprengen. Momentan sind wir in einem Umbruch, wo Grundlagenforschung zu Technologien wird mit wirtschaftlich-sozialem Impakt. Wir müssen sehen, dass wir gerade in Europa mehr Start-up-Firmen als Spin-offs der Forschung bekommen und die Brücke von Grundlagenforschung und Anwendung stärker bauen. Dazu brauchen wir die Unterstützung der Politik und der Wirtschaft.

Was muss Österreich also tun, um von den Entwicklungen zu profitieren?

Investitionen in die Konkurrenzfähigkeit müsste man europäisch sehen, doch Europa ist, was all diese Dinge betrifft, ein bisschen altväterisch. Es hat eine andere Einstellung zu Gründungen, Risiko und Venture Capital als die USA. Europäische Firmen sind konservativ und beobachtend, anstatt in der Art und Weise tätig zu werden wie Google, IBM oder Intel. Auch in ihr Quanten-Flaggschiffprojekt investiert die EU eine Milliarde Euro über zehn Jahre, während China zehn Milliarden über fünf Jahre aufbringt. Es könnte sich genau das wiederholen, was beim klassischen Computer der Fall war: Viele Ideen aus Europa werden anderswo marktreif und andere Regionen ziehen wirtschaftliche Vorteile daraus.

Ihr Uni-Spin-off Alpine Quantum Technologies will bis 2022 einen Quantencomputer zur Marktreife bringen.

Unsere Quantencomputer spielen in der ersten Liga. Dieses Know-how wollen wir professionalisieren. Aus den Laboraufbauten sollen kompaktere Computer werden. Bis 2020 wollen wir einen Demonstrator bauen. Quanten-Computing wird aber zunächst weniger der Verkauf von Hardware sein, sondern Computer über eine Quanten-Cloud zur Verfügung zu stellen. Von außen wählt man sich in eine Quantenmaschine ein, die rechnet. Das ist der Markt, der entsteht.

Im eigenen Land wird der Prophet zuletzt erkannt. Nach internationalen Auszeichnungen wurden Sie am Freitag zum "Tiroler des Jahres" gekürt. Welchen Stellenwert hat der Preis für Sie?

Viele aus unserer Gruppe haben Quanten-Auszeichnungen bekommen. Der jetzige Preis zeigt, dass unsere Leistungen auch zuhause wahrgenommen werden, dass Tirol in der Welt einen Platz über die Forschung gefunden hat, der letztlich sogar einen wirtschaftlichen Impact haben könnte. Das ist eine besondere Form der Anerkennung.