Es erscheint kurios, Quantenphysik mit „einfach“ zu verbinden. Im Grunde besteht sie aber tatsächlich aus wenigen, einfach erscheinenden Formeln, die alle Theorien um uns herum erklären. Schwierig wird es, diese Grundlage als Tool darzustellen und zu nutzen. Hier setzen Forscher aus sechs Fraunhofer-Instituten, 16 weiteren Forschungseinrichtungen – darunter die Universität Ulm sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt – und 40 Unternehmen als Partner an. Übergreifendes Ziel: Skalierbare Architekturen entwickeln, die neue Potenziale zur Datenbanksuche, Materialentwicklung bis hin zu Simulationen für Medizin, Umwelt- und Biowissenschaften eröffnen. Dafür steht allen Beteiligten im Rahmen des Fraunhofer-Kompetenznetzwerks der IBM-Quantencomputer „Q System One“ zur Verfügung.¹

„Viele Probleme lassen sich im klassischen Computing nicht akkurat lösen“, erklärt Prof. Dr. Fedor Jelezko, Leiter des Ulmer Instituts für Quantenoptik. „Möchte man beispielsweise Eigenschaften und Verhalten einzelner Moleküle exakt berechnen, ist das meist nur über Annäherung möglich. Mit dem Quantencomputer dagegen lassen sich Lösungen relativ einfach, exakt und schnell erhalten.“

Konventionelle Computer speichern Information in Form von Bits, die nur zwei mögliche Zustände annehmen können: Eins und Null. Ein Qubit eines Quantencomputers stattdessen befindet sich für eine bestimmte Zeitspanne in einem Überlagerungszustand: Eins, Null und alles dazwischen – eine Art Wellengleichung mit mehreren Zuständen gleichzeitig.

Und es gibt noch ein weiteres Phänomen, das Quantensysteme schneller macht. „Mehrere Qubits lassen sich gekoppelt in Schwingung versetzen“, erläutert Jelezko das Prinzip der Verschränkung. Qubits bilden so ein System, das sich gesamtheitlich analysieren und manipulieren lässt.

Zum Lösen komplexer Rechenoperationen werden mehrere, meist in Register zusammengefasste Qubits, benötigt. Das Entscheidende: sie sollen in Ruhe herumknobeln können. „Qubits müssen immun gegen Störeinflüsse und gleichzeitig einfach manipulierbar sein, sodass am Ende mit hoher Wahrscheinlichkeit das richtige Ergebnis herauskommt“, erklärt Jelezko die Herausforderung. Dafür sollen die Qubits möglichst lange im Überlagerungszustand verbleiben, bis die Rechenoperation zu Ende durchgeführt ist.

Doch wie lassen sich die unkontrollierten Störfaktoren, zum Beispiel elektrische, magnetische Felder und Phononen, fernhalten? IBM setzt hier – wie auch Google mit „Sycamore“ – auf supraleitende Quantenchips, die ihren elektrischen Widerstand unter einer Temperatur von minus 273 Grad Celsius verlieren. Kälter als im All – jedoch mit dem Vorteil, dass Störfaktoren unter diesen Bedingungen stark abnehmen und das Rechnen akkurat ablaufen kann.

Das Bizarre dabei: Da Supraleiter ohne Widerstand Strom leiten, können Quantenzustände verlustfrei und relativ stabil eingenommen werden. Die Energie nehmen supraleitende Systeme durch Mikrowellen auf – den Manipulationsschritt. Dadurch werden sie von einem niedrigeren Energiezustand (Null) auf einen höheren (Eins) gehoben. Hier sind Erfahrungswerte und theoretische Rechnungen zur Mikrowellen-Einstrahlzeit gefragt, schließlich will man einen hunderprozentigen Energieübergang hinauszögern und eine Wahrscheinlichkeitswelle dazwischen erreichen. Das große Rechnen kann beginnen. Am Ende kann als Lösung ein einzelnes Ergebnis erzielt werden, durch Überlagerung der Wahrscheinlichkeitswellen auf 0 Prozent (Null) oder 100 Prozent (Eins). Die Crux: Eine Wahrscheinlichkeitswelle erzeugt beim Messen verschiedene Wahrscheinlichkeitswerte, was ein vielfaches Wiederholen der Operationen nötig macht. Genau hier setzen die Ulmer Quantenforscher an. Mit dem Ziel, stabilere und skalierbare Systeme zu schaffen, die die Verschränkungszeit lange aufrechterhalten und mehrere, komplexere Algorithmen berechnen.

Um Fehler auszubügeln, bräuchte man eine große Anzahl an Qubits. "Bisherige Quantencomputer bestehen aus wenigen Qubits und funktionieren nur bei extrem tiefen Temperaturen. So auch „Q System One“, der auf supraleitenden 50 Qubits aufbaut“, erklärt Jelezko den Ansatzpunkt des Verbundprojekts „QC-4-BW“. Zusammen mit seinem Team sowie Prof. Dr. Jörg Wrachtrup vom Physikalischen Institut der Universität Stuttgart und weiteren Wissenschaftlern des Fraunhofer IAF, des Fraunhofer ICT, der Universität Konstanz und des Karlsruher Instituts für Technologie arbeitet er an spinbasierten Quantenregistern. Im Zentrum des Geschehens: ein künstlicher Diamant.

„Wir nutzen Farbzentren im künstlichen Diamanten, indem wir ihn gezielt durch Einschluss von Fremdatomen herstellen.“ Grob gesagt, wird im Gitter Platz gemacht für den Einbau eines Stickstoffatoms. Dieses sogenannte NV-Zentrum enthält ein einzelnes Elektron – quasi eingesperrt. Es ist anregbar durch Laser- und Mikrowellenlicht, sodass ein Qubit entsteht. Der Vorteil: Es ist keine Kühlung notwendig, um Umgebungseffekte auszuschließen. Die hohen Bindungskräfte der Gitterbausteine bewirken, dass die Frequenzen der Schwingungen selbst bei Raumtemperatur thermisch nicht angeregt werden.

Es liegt jedoch in der Natur eines solchen Diamantgitters, dass es auf wenige Qubits beschränkt ist. In einem weiteren Projekt arbeiten die Ulmer Forscher deshalb an Grundlagen hinsichtlich Skalierung. „Die Kopplung mehrerer Register mit über 30 Qubits ist unser nächstes Ziel. Auch eine Kopplung mit supraleitenden Quantencomputern oder sogar klassischen Rechnern ist vorstellbar“, erklärt Prof. Dr. Joachim Ankerhold. Der Leiter des Instituts für Komplexe Quantensysteme der Universität Ulm arbeitet im Verbundprojekt „SiQuRe“ mit weiteren Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) und der Universität Freiburg an den Farbzentren. „Mit Modellen und Simulationen aus der theoretischen Quantenphysik wollen wir prüfen, inwieweit kristallbasierte Plattformen als Basis für Quantencomputer dienen können“, erklärt Ankerhold. Gestützt werden sie dabei vom Ulmer Supercomputer JUSTUS 2. Erst danach sollen die entwickelten Modelle auf „Q System One“ übertragen werden – gefolgt vom spannenden Moment der Prüfung, ob sich das System für die Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen eignet - etwa zur Material- und Medikamentenentwicklung.

Eine Berechnung sämtlicher Eigenschaften aller Atome in einem Molekül ist für konventionelle oder auch Supercomputer eine oft unlösbare Aufgabe. Quantensysteme könnten präzise Simulationen und Analysen von Molekülen ermöglichen, die für den jeweiligen Krankheitsmechanismus relevant sind. Großes Ziel dabei: Die Entwicklung besserer Wirkstoffe und personalisierter Therapien. Auch könnten Mutationen oder epigenetische Änderungen in der DNA präziser und schneller aufgedeckt werden.

Mit künstlichen Diamanten im Nanobereich lassen sich darüber hinaus Sensoren und bildgebende Verfahren verbessern, um Strukturen und Funktionen einzelner Biomoleküle unter physiologischen Bedingungen sichtbar zu machen – mit einer bis zu 10.000-fach höheren Empfindlichkeit als gängige Verfahren. Jelezko stellt das Potenzial für die Medizintechnik heraus: „In der Magnetresonanztomografie könnten Strukturen viel hochauflösender dargestellt werden, um Krebserkrankungen früher zu erkennen.“ Auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen ließen sich früh diagnostizieren, mithilfe eines Diamant-Polarisators, der kleinste Magnetfelder bei Stoffwechselprozessen des Herzgewebes misst. „Die extrem erhöhte Empfindlichkeit hat revolutionären Charakter, von der Abbildung der menschlichen Gehirnaktivität bis hin zur Erdbeobachtung aus dem Weltraum“, erklärt Ankerhold.

Im Verbundvorhaben „QuEST“, an dem das Ulmer Quantentechnologie-Institut ebenfalls beteiligt ist, soll das Materialdesign von Batterien optimiert werden. Partner des am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleiteten Projekts sind das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) und das Fraunhofe IWM.