Ein großes Quäntchen Miteinander: Der Tech-Riese Google und das Forschungszentrum Jülich

Ein großes Quäntchen Miteinander : Der Tech-Riese Google und das Forschungszentrum Jülich

Google und das Forschungszentrum Jülich wollen gemeinsam am Quantencomputer forschen. Dass dieses Vorhaben eine Partnerschaft auf Augenhöhe werden soll, hat auch mit der Expertise der Jülicher Forscher zu tun.

Schon Albert Einstein wollte nicht glauben, dass unsere Welt so sonderbar ist, wie es die Quantenmechanik vorhersagt. Er sprach 1935 von einer „spukhaften Fernwirkung“, die die Quantenteilchen aufeinander ausüben. Mittlerweile gilt es unter Wissenschaftlern fast schon als alter Hut, dass die Quantenmechanik die Computertechnologie revolutionieren könnte. Die erste Theorie zum Quantencomputer stammt aus den 1990er Jahren. Seitdem hat sich viel getan, doch noch immer existieren Maschinen dieser Art nur als Experiment im Labor.

Ein sprichwörtlicher Quantensprung also ist es, wenn sich geballte Forschungs- und Unternehmensexpertise zusammentun: So wie es der US-amerikanische Internet-Gigant Google und das Forschungszentrum Jülich (FZJ) jetzt getan haben. „Als ein Unternehmen, das auf dem Gebiet der Quantencomputer Maßstäbe setzt, ist Google für uns ein wichtiger Partner, um mit vereinten Kräften diese Technologie weiterzuentwickeln“, sagt Wolfgang Marquardt, Vorstandsvorsitzender des FZJ, laut einer Pressemitteilung.

Mangel an Fachleuten absehbar

Google arbeitet bereits seit 2011 an einem eigenen Quantencomputer. Die Jülicher Expertise erstreckt sich über zahlreiche Institute und Fachdisziplinen. Eine Partnerschaft auf Augenhöhe soll es sein. Neben gemeinsamen Forschungsaktivitäten ist eine wechselseitige Nutzung von Hardware geplant. Außerdem soll die Ausbildung von Experten auf dem Gebiet der Quantentechnologien und Quantenalgorithmen Kern der Vereinbarung sein. Mit finanzieller Unterstützung von Google sollen Workshops und Austauschprogramme für Nachwuchswissenschaftler angeboten werden. Denn ein Mangel an Fachleuten auf dem Gebiet des Quantencomputing ist jetzt schon absehbar.

Quantencomputer haben für einige Anwendungen ein deutlich höheres Potenzial als herkömmliche Rechner. Wissenschaftler erhoffen sich vor allem Fortschritte auf den Gebieten der Künstlichen Intelligenz und der Verschlüsselungstechnologie sowie dabei, Eigenschaften von Molekülen für Chemie und Materialforschung zu berechnen – prinzipiell in allen Bereichen, in denen schnell große Datenmengen verarbeitet werden müssen und in denen selbst die leistungsstärksten und größten Supercomputer an ihre Grenzen stoßen.

Denn während herkömmliche Computer auf Basis der Gesetze der klassischen Physik arbeiten, beruht ein Quantencomputer auf den Gesetzen der Quantenmechanik. Der Informationsträger der Quantencomputertechnik ist das Quantenbit, kurz „Qubit“. Wie herkömmliche Bits in der klassischen Computertechnik kann es zwischen den Zuständen 0 und 1 umschalten. Zusätzlich enthält es aber auch die quantenmechanische Überlagerung (Superposition) beider Zustände. Hinzu kommt: Mehrere Qubits lassen sich miteinander verschränken – die „spukhafte Fernwirkung“, von der Albert Einstein einst sprach. Zwei Phänomene, die für den entscheidenden Mehrwert an Rechenleistung zuständig sind.

Realisieren lassen sich solche Quantenchips auf vielfältige Weise: Manche Experten setzen auf sogenannte Fehlstellen, die sie in dünne Dia­mantschichten einbauen, oder auf exotische Materialien, die eigentlich Isolatoren sind, auf ihrer Oberfläche aber Strom leiten. An der RWTH Aachen wird an sogenannten Spin-Qubits geforscht, bei denen einzelne Elektronen bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts von -273 Grad Celsius in Halbleiterkäfige gesperrt werden. Ihr Drehimpuls, also die Richtung ihrer Eigenrotation, kann den Wert des Qubits speichern. Am weitesten entwickelt sind jedoch supraleitende Qubits, die auch große Firmen wie IBM und Google favorisieren. Je nachdem, in welche Richtung der Strom kreist – im Uhrzeigersinn, entgegengesetzt dazu oder in einer beliebigen Überlagerung der beiden Drehrichtungen – werden die Quantenzustände dargestellt.

Die Fortschritte zuletzt machen Hoffnung, dass Quantenanwendungen nicht mehr nur ein Hirngespinst eines elitären Forscherkreises sind, sondern tatsächlich Wirklichkeit werden könnten. Google testet nach eigenen Angaben zurzeit ein Quantensystem mit 72 Qubits, IBM schafft 50 Qubits und in Jülich soll bis 2021 ein öffentlich zugänglicher Quantenrechner mit bis zu 100 Quantenbits entstehen. Die Zahl der verschränkten Qubits steigt also, die Lebensdauer dieser Systeme liegt aber immer noch im Bereich von Mikrosekunden. Das liegt vor allem daran, dass ein Verschränkungszustand sehr fragil ist und so Rechenfehler hervorruft, die umständlich korrigiert werden müssen.

Doch wie immer komme es nicht nur auf die Größe, also in diesem Fall die Anzahl, sondern auch auf die Qualität an, betont Kristel Michielsen. Die Physikerin und Leiterin der Arbeitsgruppe „Quantum Information Processing“ am Jülich Supercomputing Centre ist wahrscheinlich der Grund, warum Google überhaupt auf Jülich aufmerksam geworden ist. Michielsen erprobt auf den Jülicher Superrechnern die Algorithmen, die auf Quantencomputern ablaufen könnten. Ihr Rekord liegt bei einem System mit 48 verschränkten Qubits. Das ist Weltrekord. „Wenn wir simulieren, dann müssen wir uns nicht mit Aspekten wie der Kühlung beschäftigen“, sagt die Forscherin. Doch pro simuliertem Qubit braucht es eine Verdopplung der Speicherkapazität – das übersteigt die Fähigkeiten selbst der schnellsten existierenden Superrechner.

Das Forschungszentrum spricht aber nicht nur mit Google über einen Austausch von Expertise. „Wir sind natürlich auch offen für Kooperationen mit anderen Firmen“, betont Michielsen. So sei man noch im Gespräch mit IBM und D-Wave, denn auch dort sei inzwischen bekannt, dass einige der begehrtesten Quantenforscher – neben Kristel Michielsen wären David DiVincenzo, Hendrik Bluhm oder Tommaso Calarco zu nennen – ein Büro auf dem Jülicher Forschungscampus haben.

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