"Der Quantencomputer ist kein Allheilmittel"

"Wiener Zeitung":Superschnellere Quantecomputer sollen eine neue Ära der digitalen Revolution prägen: Erwartungen wie diese sollen bei der Diskussion "Zukunft der Quantenrechner" am Freitag bei den Technologiegesprächen des Forum Alpbach thematisiert werden. Wo steht das Fachgebiet?Rainer Blatt: Österreich ist bei Quantencomputern europaweit führend und kann weltweit mithalten. Doch momentan verspricht man ein wenig zu viel. Der Quantencomputer ist kein Allheilmittel. Er wird den klassischen Computer nicht ersetzen, sondern ergänzen: für spezielle Rechenprobleme, in Sensorik, Simulationen, Messtechnik oder Kommunikation. Doch mit einem Quantencomputer Texte zu bearbeiten, wäre Unsinn.

Die realistische Perspektive?

Die Perspektive ist da, aber nur langfristig. Chemische oder logistische Berechnungen, wie die Industrie sie sich verspricht, werden dauern, weil die Hardware noch nicht zur Verfügung steht, um mit einer großen Zahl von Quantenbits und entsprechender Zuverlässigkeit zu rechnen. Außerdem gibt es noch nicht die Programme dafür. Das hat mit der Software zu tun, aber auch mit dem Verständnis, wie Quantencomputer arbeiten.

Wie lange ist langfristig?

Das ist nicht einfach vorhersehbar, sonst wären wir hier nicht in der Wissenschaft, sondern in der Technologieentwicklung. Unsere Technologieentwicklung, die wir in Innsbruck derzeit betreiben, geht in Richtung mehr Quantenbits und höhere Zuverlässigkeit für voll skalierbare Systeme.

Man spricht von der schrägen Welt der kleinsten Teilchen. Wie arbeitet ein Quantenrechner?

Ein klassischer Rechner arbeitet mit den zwei Größen 0 und 1 wie eine Schaltstelle: der Schalter ist entweder unten oder oben. Der Computer schaltet eine Milliarde Mal pro Sekunde, kann aber nichts anderes. Quanten können hingegen gleichzeitig unten und oben sein. Das nennt sich Überlagerung. In der klassischen Welt findet man diese Überlagerung nur bei Wellen. Wellenverhalten ist typischerweise nicht lokal.

Stellen Sie sich die glatte Oberfläche eines Sees vor. Sie werfen einen Stein hinein und Wellen breiten sich aus. Ein Blick auf die Wellen verrät, wo der Stein hineingefallen ist. Sie werfen einen zweiten Stein ins Wasser und wieder breiten sich Wellen aus. Aus den Koordinaten der Punkte, an denen die beide Steine auf die Wasseroberfläche treffen, kann ich ausrechnen, wie das Wellenmuster aussehen wird. Umgekehrt sehe ich, dass die beiden Muster interferieren, und das Interferenzmuster zeigt, wo die Steine hineingefallen sind: Ich kann die ganze Information aus dem Wellenverhalten herauslesen. Hier beginnt der Unterschied: Klassische Rechner haben nur 0 und 1 im Register. Ein Quantenbit kennt auch Zwischenzustände. Wenn das Quantenbit ein Pfeil wäre, könnte der nicht nur nach Norden oder Süden, sondern auch auf den Äquator zeigen.

Woher weiß ich, welchen Zustand das Quantenbit eingenommen hat?

Wenn man eine Messung macht, das heißt nachsehen will, wie der Pfeil steht - oben, unten oder dazwischen - findet man immer nur "oben" oder "unten", das heißt die klassische Information 0 oder 1. Das "dazwischen" kann man nicht mit einer einzelnen Messung erschließen. Dass eine Überlagerung vorliegt, sehe ich nur anhand von vielen Messungen. Das heißt, eine Überlagerung muss ich statistisch erschließen.

Gleichzeitig kann ich das Überlagerungsprinzip auch an mehreren Quantenbits anwenden. Wenn wir also aus vielen Quanten-Zuständen ein Register anfertigen, können wir das nicht-lokale Wellenverhalten der Information hineinschreiben. Und das wiederum bedeutet: Bei einem klassischen Computer muss man an jeder einzelnen Stelle etwas im Register drehen. Durch den korrelierten Zustand der Quantenbits, Verschränkung genannt, kann ich hingegen an einer Stelle etwas drehen und das Ganze verändert sich mit. Das heißt, man macht in einem einzigen Schritt eine Rechenleistung, die sonst viele einzelne Rechenzyklen bräuchte - wie wenn man den Finger ins Wasser steckt und dabei das gesamte Wellenmuster verändert.

Warum verhalten die kleinsten Teilchen sich so?

Die Frage nach dem "Warum?" stellt sich dem Philosophen, nicht dem Physiker. Wir fragen immer nur nach dem "Wie?". Wir sind da sehr pragmatisch, es geht um kausale Zusammenhänge. Zusammengefasst: Ein Quantenrechner kalkuliert anders als ein klassischer Rechner, indem er nicht einzelne Dinge durcharbeitet, sondern de-lokal mit Wellen rechnet. Richard Feynman erkannte das in den 1980er Jahren. Damals wusste man noch nicht, wie man ein solches Quantensystem herstellen und manipulieren kann. Es waren für die meisten exotische Ideen. 1995 hatten Peter Zoller und Ignacio Cirac von der Universität Innsbruck eine Idee, wie man mit gespeicherten Ionen solche Quantencomputer bauen kann. Seither arbeiten wir an deren Umsetzung und können seit einigen Jahren Quantenrechnungen machen.

Wo ist Quantentechnologie schon überall drin?

In westlichen Ländern kommen heute etwa 30 Prozent des Bruttosozialproduktes aus Anwendungen der Quantenmechanik. In der Elektronik arbeiten alle Transistoren mit Quantenphänomenen, aber auch GPS-Geräte, Messtechnik, Radartechnologien, Laserdrucker und CD-Player - die Quantentechnik hat einen riesigen Einfluss auf die Industrie. Diese Quantentechnologien der ersten Generation sind das Ergebnis dessen, was die Wissenschaft in 100 Jahren erarbeitet hat.

Seit 20 bis 30 Jahren sind wir nun zusätzlich in der Lage, Verschränkung einzusetzen. Konkret: Wenn Sie zwei Atome verschränken und mit dem einen auf den Mond fliegen, ändert sich der Zustand Ihres Atoms auf dem Mond, wenn ich an meinem Atom hier auf der Erde eine Messung mache. Das ist diese etwas spukhafte Fernwirkung, von der Einstein gesprochen hat, die aber vielmehr so beschrieben werden sollte: Ich habe einen gemeinsam beschriebenen Informationszustand in Systemen, die über Distanzen korreliert sind. Die zweite Generation der Quantentechnologien verwendet diese Nicht-Lokalität.

Welche Anwendungen ergeben sich?

Anton Zeilinger führt Experimente durch, aus denen sich Anwendungen für eine sicher verschlüsselte Kommunikation ergeben. Weitere Anwendungen bieten sich für Messtechnik und Sensorik. Ein Handy etwa enthält schon heute viele Sensoren: Beschleunigungsmesser, Magnetometer, die GPS-Navigation. All diese Dinge lassen sich mit Quantenmethoden verbessern.

Was heißt das konkret?

In der klassischen Ein-Teilchen-Quantenphysik heutiger Quanten-Messinstrumente sind alle Teilchen unabhängig voneinander am Werk. Davon gehen wir weg und zwingen die Teilchen in eine Verschränkung. In Atomuhren etwa schwingt jedes Atom für sich. Wenn wir dagegen mehrere verschränkte Atome zum Messen verwenden, wird die notwendige Messzeit bei gleichbleibender Messgenauigkeit kürzer. So kann man die Messtechnik revolutionieren, das ist ein Zukunftsmarkt.

Welche weiteren Anwendungen erwarten Sie?

Materialeigenschaften oder chemische Prozesse lassen sich mit Quantencomputern sehr effizient simulieren und mit zunehmender Anzahl der Quantenbits und der Verschränkungstiefe immer besser darstellen. Doch die Quantencomputer, die solche Berechnungen machen können, werden vielleicht erst in zehn bis 15 Jahren verfügbar sein. Jetzt schon solche Erwartungen zu wecken, ist verfrüht. Man würde das Fell verteilen, bevor der Bär erlegt ist.

Warum gibt es diesen Hype?

Langfristig ist der Hype durchaus berechtigt, denn die potenziellen Möglichkeiten von Quantenrechnern erscheinen in der Tat vielversprechend. Aber deren Entwicklung braucht Zeit. Heute geht es immer um Superlative. Das kann die Wissenschaft überfordern und verführen. Wenn eine Anwendung in Aussicht gestellt werden kann, kommt man leichter an Geld. Faktum ist: Die technologischen Probleme können wir lösen, aber es müssen noch etwas Hirnschmalz und innovative Ansätze in dieses Fachgebiet fließen. Reiten wir die Welle, aber lassen wir uns von ihr nicht überrollen.

Mit 107 Millionen Euro wird die Quantenphysik in Österreich aus dem 3,5 Milliarden Euro schweren Förderpaket des EU-Wiederaufbaufonds unterstützt. Welchen Anteil bekommen Sie in Innsbruck?

Die Mittel sind noch nicht aufgeteilt, aber es ist ein guter Beitrag, damit die Quantenphysik in Österreich ihre Spitzenposition erhalten kann. Wir wollen auch mit Deutschland zusammenarbeiten, das jetzt zwei Milliarden Euro in die Hand nimmt. Holland vergibt 600 Millionen und Frankreich 1,8 Milliarden über die nächsten fünf Jahre, Europa muss sich gemeinsam gut aufstellen. Zu den großen Playern in den USA zählen IBM, Honeywell, Intel oder Microsoft. Jedoch stehen unsere Geräte bereits hier und bald wird man sie kaufen können. Sie könnten sie selbst programmieren, wenn Sie wollen!

Das überlasse ich lieber Ihnen. Woher kommt übrigens der Hype über Googles Quantencomputer?

Google hat mit einem relativ nutzlosen Programm gezeigt, dass man durch zufällige Schaltungen ein Rechenergebnis liefern kann, das über die Kapazität klassischer Systeme hinausgeht - ein Meilenstein in der Leistungsfähigkeit. Da wir aber Quantenrechner validieren und verifizieren, wissen wir, dass die Verschränkung so tief nicht sein kann. Die größte nachgewiesene Verschränkungstiefe haben wir mit einem voll verschränkten Register mit 24 Quantenbits in Innsbruck erreicht. Das kann sonst niemand auf der Welt.

Wie geht es in Innsbruck weiter?

Wir sind mit zwölf Forschungsgruppen gestartet. Heute betreiben 40 Gruppen in Österreich Quantenphysik in dieser Intensität. Wir brauchen Gebäude-Infrastruktur und ein Commitment der Universitäten, diese Dinge langfristig strukturell weiterzuentwickeln und zu fördern. Wir müssen die besten Köpfe gewinnen und schauen, mit wem wir die Ideen umsetzen können. Etwa arbeiten wir mit Infineon in Villach, um Quanten-Prozessoren zu bauen. Ich glaube, dass wir klein, aber sehr fein unterwegs sein können. Wenn wir die Mittel richtig einsetzen, können wir unsere Führungsrolle vielleicht ausbauen.