Die Physik hinter dem Quantencomputer

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 / 26. February. 2021

Prof. Gerhard Kirchmair im Gespräch


 

Prof. Gerhard Kirchmair wurde 1981 in Hall i.T., Österreich, geboren. Er studierte Physik an der Universität Innsbruck, wo er auch seine Masterarbeit in der Gruppe von Prof. Rainer Blatt absolvierte. Für seine Doktorarbeit setzte er seine Forschung in der Gruppe von Prof. Blatt fort, wo er an der Realisierung von Protokollen für die Quanten-Informationsverarbeitung und Quantensimulation mit Kalzium-Ionen in einer linearen Paul-Falle arbeitet. Er promovierte 2010 unter den Auspizien des Bundespräsidenten Heinz Fischer. Von 2010 bis 2013 forschte er in der Gruppe von Prof. Rob Schoelkopf an der Yale University in den USA. Dort lernte er jenes Gebiet kennen, das er nun in Innsbruck neu etablieren will: Quantenforschung mit supraleitenden Schaltkreisen. Im März 2013 hat er eine §99 Professur in Innsbruck angetreten und ist seit Anfang 2018 §98 Professor am Institut für Experimentalphysik. 2016 erhielt er einen Starting Grant des europäischen Forschungsrates ERC und ein Fellowship des Canadian Institute for Advanced Research. Im Mittelpunkt der Forschung der Arbeitsgruppe um G. Kirchmair, stehen supraleitenden Quanten Schaltkreise und supraleitenden Qubits.


 

Um komplexe Rechenalgorithmen ausführen zu können, setzen Quantencomputer auf die Gesetze der Quantenphysik. Das beschert ihnen ein enormes Leistungspotenzial, womit Quantencomputer bald hochentwickelten herkömmlichen Rechnern den Rang ablaufen könnten. Welche physikalischen Grundlagen hinter einem Quantencomputer verborgen sind, erklärt Prof. Gerhard Kirchmair, der am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck an supraleitenden Quanten Schaltkreisen und supraleitenden Qubits forscht.

Die Physik beschäftigt sich u. a. mit den kleinsten Teilchen. Der Begriff „Quanten“ bzw. „Quant“ im Singular ist inzwischen in aller Munde. Was verbirgt sich dahinter aus physikalischer Sicht?

Ein „Quant“ ist etwas, das nur als ganzzahliges Vielfaches auftreten kann, das – wenn man so will –immer als „Packet“ zu finden ist. Beispiele dafür wären: Elektronen, Photonen (also Lichtteilchen), aber auch zum Beispiel Schwingungsquanten, die man als Phononen bezeichnet. Quanten kann man nicht teilen, es existieren also keine halben Photonen oder Elektronen. In Versuchen kann man z.B. zeigen, dass sich Licht sowohl als elektromagnetische Welle als auch als Teilchen (Photon) verhalten kann.

Daraus ergibt sich also die Annahme: Licht = Teilchen.

Genau! In der Quantenphysik gibt es den sogenannten Welle-Teilchen Dualismus: Teilchen verhalten sich wie Wellen und umgekehrt. Man kann also an einzelnen Teilchen, die der Quantenphysik gehorchen, Wellen-Phänomene wie Interferenz beobachten. Ob man jetzt den Teilchen- oder Wellencharakter sieht, hängt vom Versuch und der realisierten Messung ab.

Ist die Welt der Quanten der physikalische Erklärungsversuch, die Welt auf energiebeladene Teilchenportionen zu reduzieren?

Das ist ein Aspekt des Ganzen, wobei der Begriff des Teilchens hier abstrakter zu sehen ist. Ein gutes Beispiel hierfür sind Schwingungsquanten in einem Festkörper. Die Schwingungen werden von vielen Atomen im Festkörper gleichzeitig quantisiert, trotzdem kann man nur gewisse Pakete an Energie, also Schwingungsquanten, in diese kollektive Schwingung einbringen.

Die Quantenphysik erlaubt aber zusätzlich auch noch Phänomene, die es in der klassischen Physik –also in unserem Alltag – nicht gibt. Zum Beispiel ermöglicht es die Quantenphysik, dass ein Teilchen gleichzeitig an zwei Orten bzw. in zwei Zuständen ist. Das nennt man dann eine Superposition. Versuche zeigen, dass wir solche und noch exotischere Zustände tatsächlich realisieren können. Wenn wir die Position eines Teilchens in so einer Superposition messen, entscheidet es sich zufällig für den einen oder den anderen Zustand. Die Messung bringt also das Teilchen in einen der beiden Zustände – man spricht von einer „Projektion“.

Was hat das „Plancksche Wirkungsquantum“ mit den Quanten zu tun?

Das Plancksche Wirkungsquantum ist eine Naturkonstante, die immer dann auftaucht, wenn man Effekte in der Quantenphysik beschreiben will bzw. Eigenschaften der Quanten angeben will. Ein einfaches Beispiel wäre die Energie eines Photons, die sich über dessen Frequenz, also der Lichtfarbe, multipliziert mit dem Planckschen Wirkungsquantum errechnet.

Was ist der Unterschied zwischen „Quanten“ und „Qubits“?

Qubits entstehen zum Beispiel durch die Quantisierung der Energie in einem Potential. Letztendlich ist ein Qubit ein System, das die zwei diskreten Zustände – also analog zu einem klassischen Bit – 0 oder 1 annehmen kann. Der Unterschied besteht allerdings darin, dass ein Quantenbit gleichzeitig beide Zustände annehmen. Diese Gleichzeitigkeit nennt man dann Superposition. Mehrere Qubits können dann zugleich in mehreren Zuständen sein. Also zum Beispiel für zwei Qubits wäre das „00 + 01 + 01 + 11“. Für n-Qubits wären es dann 2n Zustände. Man kann Quanten (zum Beispiel Elektronen oder Photonen) dazu verwenden, um Qubits zu bauen.

Wie werden Qubits hergestellt?

Es gibt viele Möglichkeiten, Qubits – also Systeme mit zwei Zuständen – herzustellen. Drei Beispiele sind:

    • Ionen/Atome: Als Qubit werden zwei Energie-Niveaus im Atom verwendet. Um das zu verstehen, muss man sich an das Schalenmodel für Atome aus der Schul-Chemie erinnern. Elektronen besetzen verschieden Zustände/Schalen im Atom. Jetzt kann man beispielsweise einen Laser verwenden, um ein Elektron von einer Schale in eine andere Schale zu heben. Damit hat man dann seine zwei Zustände und damit das Qubit realisiert – das Elektron in der einen Schale ist die 0, in der anderen die 1. Mit Hilfe eines Lasers kann man dann Superpositionen dieser Zustände erzeugen.
    • Supraleitenden Qubits: Hier verwendet man elektronische Bauelement wie Spulen und Kondensatoren und den sogenannten Tunnelkontakt, um ein Zwei-Zustands-System zu erzeugen. Dieser Tunnelkontakt ist eine sehr dünne, nicht-leitende Schicht zwischen zwei Supraleitern. Elektronenpaare – besser gesagt Cooper Paare im Supraleiter – können über diese Barriere verlustfrei tunneln. Damit kann man dann gezielt ein Cooper Paar auf die „Platte“ eines Kondensators bringen. Fehlt das Cooper Paar, dann ist das der Zustand 0, ist es da, dann ist es der Zustand 1.
    • Photonen: Man kann Quanteninformation bzw. Qubits auch in Eigenschaften von Photonen kodieren. Zum Beispiel in der Polarisation eines Photons, also der Richtung des elektrischen Feldes der Lichtwelle.

Ist der Quantencomputer dann eine organisierte Maschine von Quanten, die auf äußere Reize reagieren? Welche physikalischen Rahmenbedingungen braucht ein Quantencomputer, um überhaupt zu funktionieren? Warum braucht er sie?

Ja, in gewisser Weise besteht ein Quantencomputer aus sehr gut kontrollierten Quanten, die gezielt von außen manipuliert werden. Man muss aber dafür sorgen, dass die Umgebung nicht in Verbindung mit dem Quantensystem kommen kann, da sonst alle Quanteneffekte verschwinden. Durch eine Wechselwirkung mit der Umgebung würden die Qubits gemessen werden und damit die Superpositionen verschwinden.

Man muss also dafür sorgen, dass die Quanten von der Umgebung abgeschirmt sind. Dies erreicht man für Atome zum Beispiel mit Vakuum-Apparaturen und Lasern. Außerdem muss man dafür sorgen, dass alle Qubits in einem wohl definierten Zustand beginnen (zum Beispiel bei 0), damit die Rechenoperationen auch Sinn machen. Dafür muss man die Qubits meistens kühlen, also alle Anregungen und Energie aus dem System nehmen. Je nachdem, welche Technologie man verwendet, variieren diese Anforderungen an den Quantencomputer.

Quantencomputer arbeiten also nur unter einer bestimmten Temperatur, die sehr aufwendig zu erzeugen ist. Sehen Sie in absehbarer Zeit physikalische Lösungen, um den Quantencomputer auch bei Raumtemperatur nutzen zu können?

Es gibt Ansätze, wie man den Quantencomputer auch bei Raumtemperatur betreiben könnte: Ein Quantencomputer aus Photonen funktioniert zum Beispiel bei Raumtemperatur. Allerdings stellt das Kühlen selbst in der Praxis kein wirkliches Hindernis für die Realisierung eines Quantencomputers dar.

Warum kann gerade die Physik selbst vom Einsatz eines Quantencomputers profitieren?

Es stellt sich heraus, dass es sehr schwierig oder sogar unmöglich ist, die Eigenschaften von Quantensystemen mit klassischen Computern zu berechnen. Zum Beispiel wäre es für die Pharmazie und Chemie interessant, Bindungsenergien in Molekülen (ein Quantensystem bestehen aus mehreren gebundenen Atomen) zu berechnen, da sich daraus Reaktionsraten und dergleichen ableiten lassen. Man könnte mit so einem Quantencomputer auch große Bio-Moleküle besser verstehen und damit neue Medikamente entwickeln oder die Eigenschaften von bekannten Medikamenten besser verstehen.

Man kann mit einem Quantencomputer auch Festkörper besser verstehen und versuchen, offene Fragen in der Physik zu beantworten. Darunter zum Beispiel: Warum es einen Hoch-Temperatur Supraleiter gibt oder ob Supraleitung bei Raumtemperatur möglich ist.

Wo sind in unserem Alltag heute schon Erfindungen im Einsatz, die auf Annahmen der Quantenphysik beruhen?

Ein modernes NMR System funktioniert, weil wir ganz gezielt Zustände in Molekülen mit Magnetfeldern beeinflussen können.

Einer der sensitivsten kommerziell erhältlichen Magnetfeld-Sensoren ist ein sogenanntes „Superconducting Quantum Interference Device“, kurz: SQUID. Wie der Name schon sagt, beruht seine Funktion auf Quanteneffekten. Diese Technologie wird zum Beispiel bei Hirnstrom-Messungen oder generell zum Messen sehr kleiner Magnetfelder verwendet.

In der neuen Definition unserer SI-Einheiten werden viele Größen mit Hilfe von Quanteneffekten bestimmt. Zum Beispiel ist die Sekunde definiert über die Periodendauer der elektromagnetischen Strahlung, die ein Cäsium 133 Atom von einem Zustand in einen anderen bringt. Man kann also mit Quanteneffekten und Atomen sehr genaue Uhren bauen. Zum Beispiel trägt jeder GPS Satellit so eine Atomuhr mit sich herum, um möglichst genau die Laufzeit eines Signals vom Satelliten zum Empfänger zu bestimmen. Alle anderen Uhren wären viel zu ungenau und würden Abweichungen von vielen Kilometern verursachen.


Interview geführt durch:

Hannes Mittermaier , geboren 1994 in Sterzing/Italien, seit 2013 in München lebend, schloss 2019 sein Master-Studium an der Ludwig-Maximilians-Universität in München in den Fächern Germanistik und Philosophie ab. Seit 2020 promoviert Mittermaier an der germanistischen Fakultät zu einer Arbeit, die sich mit der Rezeption der Sokrates-Figur im Zeitalter der deutschsprachigen Aufklärung beschäftigt. Damit einhergehend ist Mittermaier Lehrbeauftragter an der Ludwig-Maximilians-Universität. Aktuell hält er ein Proseminar zu Thomas Manns früher Novellistik. Unabhängig von seiner Promotion arbeitet Mittermaier seit September 2019 als Redakteur der ebenso von der Ludwig-Maximilians-Universität herausgegebenen Zeitung Digitale Welt. Darüber hinaus engagiert sich Mittermaier nebenberuflich als freier Musiker.