Seite 4: „Quantenberechnung ist wie eine Symphonie.“

Inhaltsverzeichnis

Das könnte durchaus auch für das australisch-deutsche Start-up QuantumBrilliance gelten. Das Start-up setzt für seine Quantensysteme, die bei Zimmertemperatur arbeiten, auf Diamanten – genauer gesagt auf sogenannte Farbzentren in Diamanten. Dabei handelt es sich um Fehlstellen in Diamantgittern („Nitrogen Vacancy“) – Orte, an denen ein Kohlenstoffatom fehlt. Nistet sich dort ein Fremdatom ein, verbinden sich zwei freie Elektronen, die man als Qubits nutzen kann. Da Diamanten hart sind, treten thermische Schwingungen bei Wärme bei Zimmertemperatur nicht auf. Die praktische Anwendung solcher Qubits hat allerdings bisher noch Grenzen, denn NV-Zentren in Diamanten sind selten und die einzelnen Qubits damit weit voneinander entfernt. In einem Kooperationsprojekt mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik und der Universität Ulm will QuantumBrilliance daher die gezielte Erzeugung und Platzierung von NV-Zentren erforschen.

Die Frage der Kühlung

Auch die richtige Kühlung ist neben der Fehlerkorrektur für den Fortschritt der meisten Quantenrechner entscheidend. Dabei nutzen Hersteller wie IBM Mischungskryostate – Kühlsysteme, bei denen die Isotope Helium 3 und 4 gemischt werden. Das hat zur Folge, dass das Element Helium dem System Wärme entzieht. Auf diese Weise erreichen die Hersteller innerhalb von einigen Tagen die für Quantenrechner notwendigen Temperaturen um wenige Millikelvin. IBM entwickelt gerade ein solches System unter dem Namen Goldeneye – es soll dazu in der Lage sein, eine Million Qubits zu kühlen.

Das Problem ist: Helium 3 ist ein Isotop, dessen Vorkommen vergleichsweise selten ist. Eine reiche Quelle vermutet man zwar auf dem Mond, aber der Abbau ist noch Zukunftsmusik. Die Münchner Firma Kiutra entwickelt nun als Alternative eine Kühltechnik basierend auf Magnetismus. Dabei werden bestimmte Materialien, die einen großen magnetokalorischen Effekt haben, in ein Magnetfeld gebracht. Dadurch erwärmen sie sich. Führt man die Wärme in ein geeignetes Wärme-Reservoir ab und trennt das Material von seiner Umgebung, kühlt es alle Bestandteile, die daran gekoppelt sind. Man kann damit sehr tiefe Temperaturen unter einem Kelvin erzeugen.

Forscher der finnischen Aalto-Universität und des Technischen Forschungszentrums VTT haben einen Mikrowellen-Controller vorgestellt, der in der Nähe des absoluten Nullpunkts arbeiten kann. Das Gerät hat einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter, weshalb man es direkt beim Quantenprozessor, an den es seine Signale sendet, unterbringen kann. Das macht die Verlegung einer großen Anzahl von Drähten überflüssig. Bisher benötigt jedes Qubit in supraleitenden Systemen drei Drähte, um Mikrowellensignale ein- und auszutragen. Das bedeutet, dass die Kühlschränke bei steigender Qubitzahl größer werden. Außerdem müssen sie mehr Energie aufwenden, weil Wärme aus den Kabeln austritt. Allein die Kosten für die Verkabelung können sich bei einem Quantencomputer auf eine Million Euro belaufen. Derzeit kann der finnische Controller freilich nur eine einzige kontinuierliche Welle aussenden. Um das Qubit zu steuern, muss es in der Lage sein, auch Pulse abzugeben.

Kurz gesagt: Die Bauweisen bei Quantenrechnern sind so vielfältig wie die Probleme, die es noch zu lösen gibt. Aber Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit erzielten in den vergangenen Jahren ermutigende Fortschritte bei der Bewältigung einiger der größten Herausforderungen – diese gilt es nun, in Einklang zu bringen. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau und Physik am MIT, vergleicht Quantenrechner nicht zu Unrecht mit Musik: „Eine klassische Berechnung ist wie eine Solostimme – eine Reihe von reinen Tönen, die aufeinander folgen. Eine Quantenberechnung ist wie eine Symphonie – viele Linien von Tönen, die sich gegenseitig beeinflussen.“ Und eine erste Symphonie könnte durchaus in dieser Dekade erklingen – nur welche Instrumente den Ton angeben, das ist noch nicht entschieden.

(bsc)