Bei Quantensimulatoren? Warum möchten sich Firmen an ihnen beteiligen?

Quantensimulatoren können in der Zukunft komplexe Materialien simulieren – darunter zum Beispiel Chemikalien und Supraleiter. Das interessiert auch Firmen abseits der Tech-Branche. 2017 hat Volkswagen beispielsweise eine Maschine von D-Wave gekauft, die mit Hilfe der Quantenmechanik Optimierungsprobleme schneller lösen können soll. Das motiviert andere deutsche Unternehmen, ebenfalls mehr in diese Form der Forschung zu investieren – und das nicht nur im Bereich der Sensorik und Kommunikation, wie Bosch es bisher tut.

Was sind denn die wichtigsten Technologien, die das Flaggschiff fördern werden?

Im Wesentlichen gliedern sie sich in vier Bereiche: die bereits erwähnten Quantensimulationen und -computer, aber auch Quantenkommunikation und -sensorik.

Inwiefern haben diese Bereiche einen Nutzen – etwa in unserem Alltag?

Quantensysteme könnten den Kommunikationsbereich sicherer gestalten. Heute werden Daten als einzelne Bits übertragen, die jeweils durch mehrere Photonen kodiert sind. Dieser Übertragungsweg ist nicht ausnahmslos sicher: Wenn ein Dritter einige der Photonen stiehlt, fällt das nicht auf. Diese Schwachstelle nutzten Geheimdienste wie die NSA aus. Die Quantenkommunikation könnte dieses Problem lösen. Jedes Bit wird dann durch ein einzelnes Photon kodiert, das nicht weiter geteilt werden kann. Eine Messung des Bits würde das System stören: Man kann also sicherstellen, dass niemand die Nachricht unterwegs abgefangen hat.

Laden... © Friederike Hentschel; mit frdl. Gen. des DAI Heidelberg (Ausschnitt) Tommaso Calarco | Professor Calarco in Heidelberg auf dem "International Science Festival".

Das klingt viel versprechend. Kann man diese Art der Kommunikation schon umsetzen?

Ja, sie wird bereits auf Kanälen von mehreren hundert Kilometern Länge eingesetzt – beispielsweise in China. Und das zuvor erwähnte Experiment von Jian-Wei Pan hat 2017 eine sichere Satellitenübertragung ermöglicht.

Welche Quantentechnologien werden sich darüber hinaus in den kommenden Jahren Ihrer Meinung nach durchsetzen?

Gerade im Bereich der Sensorik können wir sehr kleine Felder immer präziser messen. Die Quantentechnologie wird es uns hoffentlich bald ermöglichen, einzelne Neurone in Echtzeit zu detektieren. Das wäre ein wichtiger Schritt für die Medizin. Viele deutsche Firmen, darunter Bosch, forschen aktuell in diesem Bereich.

Ist es nicht immer noch extrem schwierig, Quantenphänomene wie Verschränkung in Alltagsprodukten anzuwenden?

Ja, leider müssen die meisten Quantensysteme extrem gekühlt werden. Glücklicherweise aber nicht alle: Quantenkommunikation funktioniert beispielsweise bei Raumtemperatur. Doch auch einige Festkörper bergen ohne Kühlung Quanteneigenschaften, etwa Diamanten mit bestimmten Fehlstellen.

Was wäre langfristig gesehen die größtmögliche Revolution, die eine Quantentechnologie hervorbringen könnte?

Laden... © University of Science and Technology of China (Ausschnitt) Sichere Quantenkommunikation | Ende 2017 führten zwei wissenschaftliche Arbeitsgruppen eine Quantenvideoübertragung zwischen Österreich und China.

Ich denke, dass Quantensimulation und Quantencomputer bedeutende Fortschritte einleiten werden. Durch sie könnten wir bisher unbekannte Chemikalien für die Medizin entwickeln und eine neue Generation künstlicher Intelligenz hervorbringen.

In Ihrem Antrag behaupten Sie, dass universelle Quantencomputer in den nächsten 20 Jahren verfügbar sein werden. Das scheint optimistisch.

In letzter Zeit werde ich häufiger gefragt, ob unsere Ziele nicht zu konservativ sind. Google hat für Anfang 2018 den Beweis der so genannten "Quantum Supremacy" angekündigt. Auch IBM plant, einen Quantencomputer mit 50 Qubits zu entwickeln. Wir haben etliche führende Wissenschaftler gebeten, unsere geplanten Ziele zu überprüfen – und sie stimmen mit unserer Einschätzung überein.

Quantencomputer wurden schon Anfang der 2000er Jahre mit Vorschusslorbeeren überhäuft, doch dann ist die Forschung jahrelang nicht recht vorangekommen. Was hat sich da so plötzlich geändert?

Aktuell gibt es nur noch ingenieurwissenschaftliche Hürden, die wir überwinden müssen. Die grundlegende Theorie ist weit genug entwickelt: Einzelne Qubits existieren schon, und man kann mit ihnen rechnen, was wir Anfang der 2000er Jahre noch nicht konnten. Jetzt müssen Ingenieure ihre Anzahl noch hochskalieren.

Es gibt mehrere konkurrierende Konzepte, wie ein Quantencomputer realisiert werden könnte. Welches halten Sie für am zukunftsfähigsten?

Ich denke, sie sind alle sehr wichtig. Selbst Experten wie John Martinis, der bei Google mit supraleitenden Qubits arbeitet und darum befangen sein könnte, betont, dass man sich nicht nur auf eine Möglichkeit versteifen soll. Darum versuchen wir zumindest in der ersten Phase alle Methoden zu fördern.

Gilt das auch für topologische Quantencomputer, deren Qubits aus zweidimensionalen Quasiteilchen – so genannten Anyonen – bestehen?

Zunächst müssen Physiker überhaupt ein einzelnes topologisches Qubit erzeugen. Dieses Konzept ist sehr spannend und theoretisch viel versprechend. Ich finde es überaus mutig, dass Microsoft alles auf topologische Quantencomputer setzt. Denn das ist Grundlagenwissenschaft, vielleicht nobelpreiswürdig, aber noch nicht technologiefähig.

Woran forschen Sie momentan – haben Sie überhaupt noch Zeit dafür?

Glücklicherweise ja. Das Bundesministerium für Forschung finanziert mehrere Assistenten, die mich bei den administrativen Arbeiten unterstützen. So kann ich mich an der Universität Ulm der optimalen Kontrolle von Quantensystemen widmen: Wir versuchen Experimente geeignet einzustellen, so dass die Fehlerraten möglichst niedrig bleiben. Wir haben dazu eine neue Methode entwickelt, die wir künftig als eine Art Cloudservice anbieten möchten.

Vielen Dank für das Gespräch!

Das Interview fand während des vom DAI organisierten "Geist Heidelberg – International Science Festival" statt.