Vernetzte Quantenrechner

Auf dem Weg zum Quanteninternet

Von Manfred Lindinger
04.11.2019
, 10:36
Ein funktionierender Quantencomputer, das ist schon was, aber die Physiker wollen mehr. Sie wollen ihre Rechner vernetzen und so ein abhörsicheres Quanteninternet schaffen.

Lange Zeit war es nur eine Idee in den Köpfen visionärer Physiker, nun nimmt es Form an: Der Quantencomputer scheint in der Wirklichkeit angekommen zu sein. Vor einer Woche wurde in der Zeitschrift „Nature“ bekanntgegeben, dass im Forschungslabor von Google im kalifornischen Santa Barbara ein Quantencomputer steht, der erstmals ein spezielles mathematisches Problem deutlich schneller lösen konnte als der derzeit leistungsfähigste klassische Rechner, der Supercomputer „Summit“ von IBM.

Der supraleitende 53-Quantenbit-Prozessor „Sycamore“ wird von vielen als Meilenstein des Quantencomputing gehandelt, da mit ihm die Quantenüberlegenheit – der Lackmustest für jeden Quantenrechner – unter Beweis gestellt worden sei. „Sycamore“ lieferte das Ergebnis in nur 200 Sekunden. Wie viel länger die derzeitige Nummer eins unter den Supercomputern für die Aufgabe gebraucht hätte – zehntausend Jahre, wie von Google behauptet, oder zweieinhalb Tage, wie IBM nun entgegnet – darüber gehen die Meinungen noch auseinander.

Auch bezweifeln viele Fachleute, ob Googles Quantenrechner tatsächlich mehr kann, außer ein auf ihn speziell zugeschnittenes Problem zu lösen, das nach Einschätzung von Experten wie dem Quantenphysiker Rainer Blatt sehr artifiziell ist und „keine, wie auch immer gearteten Anwendungen hat“. Blatt spricht zwar ebenfalls von einem Meilenstein, gibt sich angesichts des Werberummels und der kommerziellen Interessen aber zurückhaltend in der Bewertung. Bis es einen echten Quantencomputer gebe, der den Namen auch verdiene, werde es seiner Meinung nach noch einige Jahren dauern. Denn ein solches System muss äußerst fehlertolerant und wie jeder PC universell programmierbar sein – und sollte deshalb anders als Googles-Quantenrechner imstande sein, jedes noch so komplizierte Problem zu berechnen.

Quantenberechnungen durch Arbeitsteilung

Rainer Blatt, der das europäische Quanten-Flaggschiff-Projekt vor zwei Jahren mit auf den Weg gebracht hat, rechnet damit, dass es in wenigen Jahren einen oder mehrere europäische Quantencomputer geben wird. Einer davon soll in Innsbruck stehen und mit gespeicherten Ionen arbeiten. Zu diesem Zweck wollen die Forscher ihren bestehenden Quantenrechner aufrüsten. Dann sollen 50 statt wie bisher 20 geladene Kalziumatome in einem zylindrischen Ionenkäfig schweben. Jedes Teilchen repräsentiert ein Qubit, wie man die quantenmechanischen Pedants der klassischen Bits nennt, und wird, so das Ziel, mit Laserlicht perfekt kontrolliert und manipuliert.

Dass man zur Simulation hochkomplexer quantenphysikalischer Fragestellungen nicht unbedingt einen großen Quantencomputer benötigt, konnten die Forscher um Blatt kürzlich an einem Problem aus der Teilchenphysik demonstrieren. Die Lösung war Arbeitsteilung: Man ließ einen klassischen Computer all das berechnen, wozu er aufgrund seiner Architektur in der Lage war, während die echten quantenphysikalischen Berechnungen das 20-Qubit-System übernahm.

Während nun also Computerhersteller wie Google oder IBM ihre Prototypen aufrüsten, um sich so Marktvorteile vor der Konkurrenz zu sichern, brüten viele Forscher bereits darüber, wie man Quantenrechner – ähnlich wie herkömmliche Computer – zu größeren Recheneinheiten vernetzen könnte. Über ein solches Netzwerk würden nicht mehr klassische digitale Daten übermittelt werden, sondern echte Quanteninformationen, die etwa in den Zuständen von Photonen oder Atomen kodiert sind. Ein solches Quanteninternet könnte Anwendungen ermöglichen, die mit gängigen Technologien nicht zu verwirklichen sind, beispielsweise die abhörsichere Übertragung vertraulicher Daten.

Materie mit Licht verschränkt

Allerdings lassen sich die Qubits eines Quantencomputers nicht ohne weiteres übertragen. Denn quantenphysikalische Informationen können prinzipiell nicht kopiert werden, ohne sie dabei zu zerstören. Den Ausweg bietet hier die Verschränkung, von Einstein einst als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet. Verschränkte Systeme bilden unabhängig von ihrer Entfernung ein einheitliches Quantensystem. Ändert sich der Zustand eines Teilchens, dann „spürt“ das der Partner sofort und reagiert entsprechend, indem er ebenfalls seinen Zustand verändert.

Dass man auf diese Weise tatsächlich Quanteneigenschaften von Materie auf sichtbare Photonen und umgekehrt übertragen kann, ist schon auf kurze Distanzen demonstriert worden. Physiker um Ben Lanyon von der Universität Innsbruck haben jetzt einen neuen Rekord aufgestellt. Sie haben den Quantenzustand eines in einer Ionenfalle gefangenen Kalziumions auf ein Lichtquant übertragen und das Photon durch ein 50 Kilometer langes Glasfaserkabel zu einer Messstation geschickt. Dort konnten die Forscher nachweisen, dass auch über diese große Distanz die Verschränkung zwischen Ion und Photon noch intakt war.

Anschließend übertrugen Layton und seine Kollegen ein verschränktes Photon eines zweiten Ions ebenfalls über eine 50 Kilometer lange Glasfaser an die Messstation. Als sie die Polarisationsrichtungen beider Lichtteilchen ermittelten, ging die Verschränkung zwischen den Photonen und den Ionen zwar verloren. Im Gegenzug waren aber nun die beiden Ionen über eine 100 Kilometer lange Distanz auf spukhafte Weise miteinander gekoppelt. Die Grundlage für ein Quantennetz ist damit geschaffen. Als nächstes will man zeigen, dass mit weiteren Ionenfallensystemen auch ein komplexes Netzwerk realisiert werden kann. Ein solches Quantennetz könnte zwischen Wien und Innsbruck entstehen.

Für die supraleitenden Quantenrechner dürfte die Verwirklichung eines Quanteninternets etwas schwieriger werden. Um deren Quantenbits zu vernetzen, muss man deutlich mehr Aufwand betreiben: Man benötigt dazu Mikrowellenstrahlung, deren Photonen deutlich weniger Energie besitzen als infrarote oder sichtbare Lichtquanten. Mikrowellen lassen sich zudem nicht über Glasfasern, sondern nur über spezielle Leiter übertragen.

Dennoch ist es Physikern der TU München gelungen, den Quantenzustand eines supraleitenden Qubits über einen Mikrowellenleiter auf ein anderes zu übertragen. Wie die Quantenbits musste der Mikrowellenleiter mit flüssigem Helium gekühlt werden. So konnten unter anderem störende Einflüsse durch Wärmestrahlung vermieden werden. Wie die Forscher um Rudolf Gross in der Zeitschrift „Nature Communications“ schreiben, ist es auf diese Weise gelungen, eine Distanz von dreißig Zentimetern zu überbrücken und die beiden Qubits in einen gemeinsamen verschränkten Zustand zu befördern. Die Quantenbits zeigten ein perfekt aufeinander abgestimmtes Verhalten. Nun planen die Forscher, mit speziellen Mikrowellenkabeln die Distanz auf sieben Meter zu vergrößern. Damit scheint auch die Vernetzung von supraleitenden Quantenrechnern in greifbare Nähe gerückt.

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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