Er forscht am Computer von morgen

Physiker Jonathan Home von der ETH Zürich entwickelt Quantencomputer. Deren Prozessoren haben es in sich.

Der Physiker Jonathan Home in seinem Labor an der ETH Zürich. Foto: Raisa Durandi

Der Physiker Jonathan Home in seinem Labor an der ETH Zürich. Foto: Raisa Durandi

Joachim Laukenmann@JoLauki

Gelegentlich kann man im Labor von Jonathan Home am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich eine besondere Art Katze beobachten. Diese Katze ist tot und lebendig zugleich.

Was eigentlich nicht sein kann, hat der österreichische Quantenphysiker Erwin Schrödinger bereits 1935 in einem etwas makabren Gedankenexperiment vorweggenommen. Schrödingers gedachte Katze befindet sich in einem geschlossenen Raum ohne Fenster. Sie wird zu einem unbekannten Zeitpunkt getötet, nämlich dann, wenn zufällig ein radioaktives Atom im gleichen Raum zerfällt, was wiederum Giftgas freisetzt. Von ausserhalb des Raumes lässt sich nicht sagen, ob die Katze tot oder lebendig ist. In gewisser Hinsicht ist sie daher beides zugleich. Mit diesem Gedankenexperiment wollte Schrödinger eine verblüffende Eigenschaft der Quantenwelt illustrieren.

Home, 37 Jahre alt und seit 2010 als Assistenzprofessor an der ETH, hat etwas Entsprechendes bei Ionen beobachtet, also bei elektrisch geladenen Atomen. Diese sind zwar nicht zugleich tot und lebendig, aber zugleich rechts und links von einem bestimmten Ort. Sie befinden sich also an zwei Orten zugleich. Und das ist eine der Eigenschaften atomarer Teilchen, die es möglich macht, aus Ionen einen Quantencomputer zu bauen.

Winzige Falle für Ionen

Home führt in sein Labor an der ETH Hönggerberg. Auf grossen Tischen stehen unzählige Spiegel, Prismen und Linsen. Diese leiten Laserstrahlen in eine sogenannte Ionenfalle, in der wie an einer Perlenkette aufgereiht einige Ionen sitzen. Die einige Tausendstelmillimeter grosse Ionenfalle ist von winzigen Goldelektroden umgeben. Damit lassen sich die Ionen durch die Falle bewegen, etwa als kleine Gruppe in den Lichtkegel eines Lasers. Mithilfe der Laser kann Home die Ionen gezielt manipulieren, sie etwa in einen Schrödingers-Katzen-Zustand versetzen oder sie auf besondere Art und Weise miteinander verknüpfen.

Letztlich hat die Manipulation der Ionen das Ziel, aus ihnen Quantenbits zu machen, die elementaren Recheneinheiten eines Quantencomputers. Sie entsprechen den Bits, die beim klassischen Computer entweder den Wert 0 oder 1 annehmen. Entsprechend ist ein Ion im Zustand 0, wenn es ein gewisses Energieniveau besitzt, und im Zustand 1, wenn es ein anderes Energieniveau hat. «Wenn wir mit dem Laser auf die Ionen scheinen, können wir sie vom einen in den anderen Energiezustand bringen», sagt Home.

Die Ionen sind aber nicht zwingend im Zustand 0 oder im Zustand 1 wie klassische Bits. Sie lassen sich mit den Lasern so präparieren, dass sie im Zustand 0 und 1 zugleich sind. Die Physiker nennen das eine Superposition der Zustände 0 und 1. Das ist eine Besonderheit der Quantenbits.

Schlagartige Zustandsänderung

Die zweite Besonderheit besteht in einer sensiblen und nur in der Quantenwelt möglichen Verknüpfung mehrerer Quantenbits oder eben der Energiezustände der Ionen. Die Physiker sprechen von einer Verschränkung der Ionen. Eine kleine Manipulation an einem Ion kann dann schlagartig den Zustand aller damit verschränkten Ionen ändern. Im Grunde kann man eine Unmenge Zahlen zugleich in diese Quantensysteme stecken und wegen der Verschränkung der Ionen gleichzeitig verarbeiten. Das macht Quantencomputer für gewisse Rechenaufgaben so leistungsfähig.

Quantencomputer sollen künftig dort zum Einsatz kommen, wo sich klassische Computer schwertun. Das ist bei Aufgaben der Fall, die mit zunehmender Komplexität exponentiell mehr Rechenaufwand verlangen. Ein typisches Beispiel ist die Zerlegung von grossen Zahlen in ihre Primfaktoren, was bei der Verschlüsselung von Nachrichten wichtig ist. Ein anderes Beispiel ist die Suche nach Mustern in grossen, unstrukturierten Datenbanken. Und in der Chemie wie auch in der Materialwissenschaft sollen Quantencomputer helfen, die Eigenschaften der oft komplexen Systeme zu berechnen. «So hofft man zum Beispiel, neue Katalysatoren für chemische Reaktionen zu finden», sagt Home.

Manche Forschergruppen experimentieren bereits mit rund 20 Ionen. «Das sind aber alles Ionen vom gleichen Typ», sagt Home. «Es ist schwierig, diesen Ansatz zu ganz grossen Ionenzahlen zu erweitern.» Das Besondere an seinem Ansatz sei, dass er zwei verschiedene Ionen nutze, nämlich solche aus Kalzium und Beryllium. «Diese unterschiedlichen Ionen sind zwar zunächst einmal schwieriger zu beherrschen. Daher habe ich derzeit nur drei Stück in der Ionenfalle. Aber dieses Dreierpaket aus zwei Ionentypen ist ein Baustein, mit dem sich wirklich grosse Quantencomputer verwirklichen lassen sollten.»

Wie Home sagt, sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Eine ist die Korrektur von Fehlern. Verschränkte Quantenbits reagieren sehr sensibel auf äussere Störungen und sind somit anfällig für Fehler. «Wir wissen theoretisch, dass eine Fehlerkorrektur möglich ist», sagt Home. «Aber niemand konnte sie bisher wirkungsvoll demonstrieren. Alle forschen aber in dieser Richtung.»

Zudem gebe es technologische Herausforderungen. Bisher gelingt es, die Ionen in der Falle hin und her zu bewegen. Auf den winzigen Quantenchips brauche es aber ein ganzes Strassennetz für Ionen, um diese kreuz und quer zu befördern, etwa um mehrere Gruppen von Ionen mit verschiedenen Lasern beleuchten zu können. «Die Entwicklung solcher Chips ist eines unserer Ziele», sagt Home. Letztlich braucht es dazu vielleicht 100 winzige Laser, die auf dem Mikrochip integriert werden müssen. Heute füllt die Anordnung für eine Handvoll Quantenbits das ganze Labor.

100 000 Quantenbits als Ziel

Ein Quantencomputer, der etwas fertigbringt, was ein klassischer Computer nicht kann, benötigt laut Home rund 40 Quantenbits. In fünf bis zehn Jahren, sagt er, würden Systeme mit 50 bis 100 Quantenbits laufen. «Wirklich interessant werden Quantencomputer aber erst, wenn circa 100 000 Quantenbits verfügbar sind», sagt Home. Wann das erreicht wird, das möchte er lieber nicht prognostizieren. «Das mit einer Milliarde Euro dotierte Quantum Technologies Flagship der EU könnte Firmen sicher dazu motivieren, in dieser Richtung tätig zu werden. Damit könnte die Entwicklung grösserer Quantencomputer enorm an Schwung aufnehmen.»


Quantencomputer für die Chemie

Nicht weniger als eine technologische Revolution erwarten Fachleute vom Quantencomputer. Von der Entwicklung neuer Materialien oder Chemikalien bis zur optimierten Routenfindung für Fahrzeuge im Stadtverkehr soll der Quantenrechner Verwendung finden. Allerdings blieben die Vorschläge für dessen Einsatz bisher eher vage.

Nun haben Wissenschaftler von der ETH Zürich und von Microsoft Research in der Fachzeitschrift PNAS eine sehr konkrete Anwendung für den Quantencomputer präsentiert: die Berechnung einer komplexen chemischen Reaktion.

Als Beispiel nennen die Forscher um Markus Reiher und Matthias Troyer von der ETH eine besondere Reaktion aus der Biochemie. Bestimmte Mikroorganismen können dank eines speziellen Enzyms, einer sogenannten Nitrogenase, die in der Luft vorkommenden Stickstoffmoleküle spalten und daraus chemische Verbindungen mit nur einem Stickstoffatom herstellen. Dazu gehört Ammoniak, der Grundstoff für Düngemittel.

Wie genau diese Nitrogenasereaktion abläuft, ist jedoch unbekannt – das gilt als eine der grossen ungelösten Fragen der Chemie. Bei dieser Reaktion sind so viele Elektronen innerhalb des Enzyms beteiligt, dass klassische Supercomputer nicht in der Lage sind, die Wechselwirkung der Elektronen und damit das Verhalten des Moleküls zu berechnen. Denn während sich beim klassischen Computer der Rechenaufwand für jedes zusätzliche Elektron verdoppelt, braucht ein Quantencomputer nur ein zusätzliches Quantenbit (Qubit).

Geduld ist gefragt

Wie die Forscher zeigen, könnten künftige Quantencomputer mit 100 bis 200 hochwertigen Qubits komplexe Teilprobleme der Nitrogenasereaktion innerhalb von einigen Tagen berechnen. So lasse sich der Reaktionsmechanismus mit einem Quantencomputer moderater Grösse schrittweise bestimmen.

Noch aber ist etwas Geduld gefragt. Bis ein Quantencomputer zur Verfügung steht, der mehr als hundert hochwertige Quantenbits für Rechenoperationen besitzt, wird es laut Markus Reiher noch einige Jahre dauern.

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