02.01.2020

Quantencomputer aus Österreich

Aus der Forschung in den Alltag: Quantenforscher/innen schaffen in Innsbruck Grundlagen für kommerziell einsetzbare Quantencomputer.

© R. Knabl

Die “Alpine Quantum Technologies GmbH”, ein Spin-off der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), ist auf dem Weg, einen kommerziell nutzbaren Quantencomputer zu entwickeln. Im Interview spricht der Mitgründer und Quantenphysiker Rainer Blatt über den Stand der Forschung und den Hype um das Thema.

Was passiert derzeit bei Alpine Quantum Technologies (AQT)?

Rainer Blatt: Das Unternehmen gibt es seit eineinhalb Jahren und wir haben derzeit sechs Mitarbeiter. In der ersten Phase haben wir Geld von Investoren gesammelt, mit dem wir in den kommenden zwei Jahren einen Prototypen für ein Quantencomputermodell bauen wollen. Die Maschine soll nicht mehr Platz brauchen als zwei herkömmliche 19-Zoll-Server-Racks und möglichst modular aufgebaut sein, um je nach Einsatzzweck flexible Lösungen zu ermöglichen. Die gesamte Entwicklung wird mindestens fünf bis sechs Jahre dauern.

Innsbruck ist bekannt für die Forschung mit Ionenfallen. Wird der AQT-Quantencomputer auf dieser Basis entwickelt?

Blatt: Ja, diese Technologie wurde in Innsbruck von Peter Zoller und Ignacio Cirac für Quantencomputer vorgeschlagen und von uns in der Experimentalphysik an der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW führend mitentwickelt. Auch die allerersten Quantenschaltkreise wurden mit Ionenfallen realisiert. Diese Technologie ist daher die ausgereifteste, die es weltweit gibt.

Welche Vorteile hat dieser Ansatz?

Blatt: In den Ionenfallen manipulieren wir einzelne Atome, die sind immer identisch. Dadurch können wir auch eine vollständige Verschränkung der einzelnen Qubits garantieren. Bei anderen Ansätzen, etwa den supraleitenden Schaltkreisen, mit denen Google arbeitet, ist das nicht der Fall. Ein Problem, das alle Ansätze haben, ist die Skalierbarkeit. Es gibt verschiedene Ansätze, die Zahl der Qubits zu erhöhen, was, je nach Plattform (Ionen oder Supraleitende Qubits) sehr verschiedene Technologien erfordert. Generell ist das Problem der Skalierbarkeit bisher nicht befriedigend gelöst.

Google hat zuletzt mit seinen supraleitenden Schaltkreisen laut eigenen Angaben als erstes “Quantum Supremacy”, also die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber klassischen Rechnern, demonstriert. Haben die supraleitenden Schaltkreise die Nase derzeit vorne?

Blatt: Das hat auch damit zu tun, dass in den vergangenen Jahrzehnten viel Geld in die Herstellung von Computerchips investiert wurde. Viele Investor/innen und Forscher/innen hoffen, auf Basis dieser Infrastruktur einen Quantenrechner bauen zu können. Was Google erreicht hat, ist ein experimentell wichtiger Meilenstein. Über die Leistungsfähigkeit des Google-Quantencomputers sagt das aber noch nichts aus. Probleme wie die mangelnde Skalierbarkeit oder den fehlenden Nachweis der Verschränkung der Qubits lassen die Verfechter der supraleitenden Schaltkreise gerne unter den Tisch fallen. Ich kann verstehen, dass private Firmen liefern müssen, aber diese übertriebene PR und das Gerede von “Quantum Supremacy” mag ich nicht. Aus meiner Sicht gibt es heute noch keine zu favorisierende technologische Plattform.

Das heißt AQT will sich nicht am Rennen um die nächste Quantencomputer-Schlagzeile beteiligen?

Blatt: Wir sind hier zurückhaltender. Wir wollen nichts versprechen, was wir nicht halten können und arbeiten weiter an der Lösung der offenen Probleme. Derzeit überbieten sich die Unternehmen gegenseitig mit der Zahl der Qubits, die ihre Quantencomputer nutzen können. Da geht es oft nur noch darum, wer mehr Qubits aufweisen kann. Wir können aktuell 20 Qubits verschränken, im Gegensatz zu vielen Konkurrenten aber nachweisbar. Wichtiger als die Zahl der Qubits wäre es etwa, Fehlerkorrekturmechanismen zu implementieren. Das ist die wohl größte Herausforderung.

Rechnet ein Quantencomputer überhaupt noch im klassischen Sinn?

Blatt: Ja, ein klassischer Computer hat mehrere Register, in denen die Bits Schritt für Schritt manipuliert werden. In einem Quantencomputer liegt eine Überlagerung aller Zustände vor. Wenn ich den Zustand eines einzelnen Qubits ändere, ändert sich das ganze System. Ich manipuliere also den gesamten Rechenraum gleichzeitig. Das funktioniert deterministisch, also wie jede klassische Rechnung. Das Ergebnis dieser Rechnung erhält man durch Auslesen (d.h. Messen) des Quantenregisters. Diese Messungen sind probabilistisch, also auf Wahrscheinlichkeit beruhend, was aber kein Problem ist, denn gegebenenfalls kann man den Algorithmus mehrfach ausführen, um das Ergebnis zu erhalten.

Die Berechnungen, die so gemacht werden, werden langsam komplexer. Macht das ohne Fehlerkorrektur Sinn?

Blatt: Mit Quantencomputern, die über mehr als etwa 45 Qubits verfügen, kann man bereits Berechnungen anstellen, die über die Leistungsfähigkeit klassischer Computer hinausgehen. Solche Quantencomputer werden wir auch an der Uni Innsbruck bald zur Verfügung haben. Man muss aber versuchen, relevante Probleme zu lösen und über die reine Demonstration von komplexen, zufälligen Rechensequenzen hinauszugehen.

Wie man in quantenmechanischen Systemen Fehler korrigieren kann, ist theoretisch schon seit Jahren geklärt. Einige dieser Techniken sind auch bereits implementiert. Bis wir solche Mechanismen routinemäßig in Quantencomputern sehen werden, wird es aber wohl noch einige Jahre dauern. Dies geht Hand in Hand mit der Entwicklung skalierbarer Techniken und ist noch Gegenstand der laufenden Forschung.

Es scheint mutig, dass ein kleines Spin-off in Innsbruck sich mit IBM, Google und Co messen will.

Blatt: Wir haben schon die Möglichkeiten, entscheidend beizutragen. Wir haben zwar nicht die Infrastruktur und das Geld, das große Konzerne haben, aber wir haben sehr gute Leute und wir haben Ideen. Wir wissen, dass wir hier oft mit wenig Geld das machen müssen, was andere mit Millionen erreichen wollen. Ob das mutig ist, weiß ich nicht, aber jemand muss einfach mal anfangen.

 

AUF EINEN BLICK

Rainer Blatt promovierte 1981 an der Universität Mainz, danach forschte er bei Physik-Nobelpreisträger John L. Hall am Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) der University of Colorado in den USA. 1983 ging er an die Freie Universität Berlin und von dort an die Universität Hamburg, wo er sich habilitierte. Nach einer Professur an der Universität Göttingen folgte er 1995 einem Ruf an die Universität Innsbruck. Seit 2003 ist Blatt auch Wissenschaftlicher Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW. Er ist zudem wirkliches Mitglied der Akademie.

 

Alpine Quantum Technologies GmbH

 


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