Der deutsche Quantenrechner

Wer baut den Quantencomputer „Made in Germany“?

Von Manfred Lindinger
05.03.2021
, 21:30
Münchner Physiker entwickeln den Quantencomputer von morgen: Blick in ein modernes Labor am MPI für Quantenoptik in Garching.
Die politischen Weichen für einen deutschen Quantencomputer sind gestellt. Die Fördermittel von zwei Milliarden Euro stehen bereit. Nun bringen sich die Forschungsstandorte in Startstellung. Wer wird das Rennen machen?
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Das Quantenparadies auf Erden liegt in Bayern, genauer in München. Diesen Eindruck konnte man während der gestrigen Auftaktveranstaltung zur Initiative „Munich Quantum Valley“ gewinnen, die coronabedingt per Internet auf Youtube ausgestrahlt wurde (und dort noch immer aufgerufen werden kann). Das Ziel des Projekts, zu dem sich die Max-Planck- und Fraunhofer-Gesellschaft, die beiden großen Münchner Universitäten LMU und TUM sowie zahlreiche im Raum München angesiedelte Firmen zusammen geschlossen haben, ist der Bau von mindestens zwei leistungsfähigen Quantencomputern „Made in Germany“. In fünf Jahren, so der Plan, will man zumindest einen international konkurrenzfähigen Quantenrechner präsentieren, der es mit den Systemen von Google oder IBM aufnehmen kann und jedem klassischen Computer überlegen ist.

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Mit 300 Millionen Euro wird der Freistaat das Vorhaben fördern, das die enge Verzahnung von Forschung und Industrie vorsieht und mit dem Bau eines Quantentechnologieparks die technische Infrastruktur schaffen will, die zur Entwicklung und zum Bau der Komponenten für Quantencomputer erforderlich sind. Als Koordinator des ehrgeizigen Projekts hat man Rainer Blatt von der Universität Innsbruck gewinnen können – ein geschickter Schachzug. Blatt gilt als einer der Pioniere des experimentellen Quantencomputings.

Der Bayerische Ministerpräsident Markus Söder fördert die Initiative „Munich Quantum Valley“ mit 300 Millionen Euro.
Der Bayerische Ministerpräsident Markus Söder fördert die Initiative „Munich Quantum Valley“ mit 300 Millionen Euro. Bild: dpa

Am gestrigen Donnerstag wurde kräftig die Werbetrommel gerührt. Und beim Aufzählen der vielen Kompetenzen, die die bayerischen Standorte anzubieten haben, geriet die Bundesinitiative, die den Bau eines deutschen Quantenrechners mit zwei Milliarden Euro im Rahmen des Corona-Konjunkturpakets fördern will, fast in den Hintergrund. Dabei brachte die Bundesregierung den Stein im vergangenen Jahr erst ins Rollen, indem sie die politischen und finanziellen Weichen dafür stellte, dass Deutschland und damit auch Europa, das in der Quantenwissenschaft noch immer führend ist, in der Quantentechnologie den Anschluss die Weltspitze nicht gänzlich verliert. Etwas, das sich die Quantenphysiker in Deutschland schon lange gewünscht haben.

Wer macht das Rennen am Ende?

Mitte Januar hat der Ende vergangenen Jahres eingesetzte Expertenrat der Bundesregierung eine Roadmap vorgelegt, die detailliert beschreibt, wie es gelingen könnte, die Entwicklung eines Quantencomputers in Zusammenarbeit mit der Industrie voranzutreiben. Bei dem Vorhaben sollen nur die besten Projekte gefördert werden, so wird dringend empfohlen. In wenigen Wochen, so war zu hören, werden das Bundesforschungs- und das Wirtschaftsministerium die Ausschreibung präsentieren, auf die sich jeder bewerben kann, der entsprechende Kompetenzen und überzeugende Konzepte vorzuweisen hat. Eine unabhängige europäische Beratergruppe soll dann daraus diejenigen Projekte auswählen, die in den Genuss der Bundesmittel kommen sollen. Das ganze Procedere soll möglichst transparent und noch vor Ende der Legislaturperiode abgeschlossen sein, so die Hoffnung.

Blick in einen Quantensimulator: Atome werden mit Lichtstrahlen und einem Magnetfeld in der Schwebe gehalten. Mit diesem speziellen Quantencomputer lassen sich spezielle Prozesse simulieren.
Blick in einen Quantensimulator: Atome werden mit Lichtstrahlen und einem Magnetfeld in der Schwebe gehalten. Mit diesem speziellen Quantencomputer lassen sich spezielle Prozesse simulieren. Bild: MPI für Quantenoptik

Noch ist völlig offen, wer den Zuschlag erhält und wie hoch die jeweiligen Förderungen ausfallen werden. Um sich im Vorfeld entsprechend zu positionieren und so die Chancen für eine positive Entscheidung zu erhöhen, haben sich, wie in Bayern geschehen, auch in Nordrhein-Westfalen, Niedersachsen und Baden Württemberg die dort ansässigen großen außeruniversitären Forschungszentren und Universitäten mit interessierten Unternehmen zusammengeschlossen und ihre Konzepte zum Bau von Quantencomputern vorgelegt. Und fast jede Woche kommt ein neues Projekt und ein neuer Forschungsverbund hinzu.

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In Bayern hat man mit dem Munich Quantum Valley neben der Roadmap des Expertenrats die vielleicht ausgereifteste Strategie anzubieten, wie ein Quantencomputer zu verwirklichen ist. Auf Bundesmittel wird man in Bayern dennoch nicht verzichten können. Das gesteht auch Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, ein. Denn der Bau eines marktreifen Quantencomputers ist eine Herkules-Aufgabe, die neben viel Geld, neue Ideen und Ansätze erfordert – Herausforderungen, die nur im Forschungsverbund zu bewältigen sind.

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Was ein Quantencomputer können muss

Ein leistungsfähiger Quantencomputer muss wie ein klassischer PC frei programmierbar und für alle möglichen Aufgaben einsetzbar sein. Zudem muss er über möglichst viele Quantenbits verfügen, wie die elementaren quantenphysikalischen Informationseinheiten heißen, die den Quantenrechner so unschlagbar schnell machen. Die Quantenbits, die als Speicher- und Recheneinheiten zugleich dienen, müssen perfekt kontrolliert und angesteuert werden können.

Der europäische Quantencomputer „OpenSuperQ“ nimmt am Forschungszentrum Jülich Gestalt an. Detailaufnahme des Kryostaten. Der Rechner, der wie die Systeme von Google und IBM auf supraleitende Qubits basiert, soll vor allem der Simulation chemischer Reaktionen und von Materialeigenschaften dienen und das Maschinelle Lernen, ein Teilgebiet der Künstlichen Intelligenz, beschleunigen.
Der europäische Quantencomputer „OpenSuperQ“ nimmt am Forschungszentrum Jülich Gestalt an. Detailaufnahme des Kryostaten. Der Rechner, der wie die Systeme von Google und IBM auf supraleitende Qubits basiert, soll vor allem der Simulation chemischer Reaktionen und von Materialeigenschaften dienen und das Maschinelle Lernen, ein Teilgebiet der Künstlichen Intelligenz, beschleunigen. Bild: Forschungszentrum Jülich, UK

Vor allem dürfen einem Quantencomputer bei seinen Berechnungen keine Fehler unterlaufen, was derzeit noch großes Kopfzerbrechen bereitet. Denn Qubits regieren empfindlich auf Rauschen und andere Störungen. „Wir befinden uns bei der Entwicklung des Quantenrechners in etwa dort, wo sich die Computertechnik bei der Entwicklung der ersten Integrierten Silizium-Schaltkreise in den sechziger Jahren befand“, sagte Rudolf Gross von der Technischen Universität München.

Wenn auch ziemlich klar ist, was ein künftiger Quantencomputer leisten soll, so ist längst nicht ausgemacht, auf welcher Architektur ein künftiger universell nutzbarer Quantencomputer tatsächlich beruhen wird. Zwar setzen Google und IBM und viele andere amerikanische und chinesische IT-Firmen bei ihren Systemen auf supraleitende Mikrowellenresonatoren als Quantenbits. Doch es kommen für die quantenphysikalischen Pendants der klassischen Bits auch gespeicherte Atome, Ionen oder nanometergroße Halbleiterstrukturen in Frage.

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Plattformen, wie sie beispielsweise in Innsbruck Garching und anderen deutschen Forschungsstandorten entwickelt werden. Jede Plattform hat Vor- und Nachteile und ist längst noch nicht ausgereift. Und niemand will sich bereits auf eine bestimmte Architektur festlegen, die der Quantencomputer „Made in Germany“ haben soll. Doch damit diese Vision Wirklichkeit werden kann, müssen alle am gleichen Strang ziehen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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