#09 Qubits hinter Gittern: Gefangene Atome als Technologieansatz für Quantencomputer

Die Begriffe Maschinelles Lernen und KI sind dieser Tage in aller Munde. Der technologische Fortschritt, Computer mit Blick auf das Lösen bestimmter Aufgaben zu trainieren, ist atemberaubend. Zum aktuellen Stand beim Trainieren von Quantencomputern sprechen wir in der neuen Podcastfolge mit dem theoretischen Physiker Daniel Scherer vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS. Wir diskutieren unter anderem, wie verschiedene Lernverfahren oder Algorithmen auf derzeit verfügbarer Quantenhardware implementiert werden und welche Herausforderungen und Perspektiven damit verbunden sind.

Lange Vision, heute Realität: Schon der Physik-Nobelpreisträger aus dem Jahr 1965 Richard Feynman plante einen Quantensimulator zur Untersuchung komplexer Quantenmaterie. Dies ist mit Hilfe von ultrakalten Atomen in optischen Gittern möglich: Mit Laserstrahlen können künstliche Lichtkristalle erzeugt werden, die Atome in einem Gitter aus mikroskopischen Lichtfallen fangen. So entstehen künstliche Modellsysteme für echte Festkörper, die man auf völlig neue Weise kontrollieren und untersuchen kann. Diese Kontrolle einzelner Atome kann auch Grundlage für den Bau eines Quantencomputers sein. Welche Herausforderungen es dabei gibt und wie eine Hardwareplattform auf Basis neutraler Atome im Vergleich beispielsweise zu Supraleiter-basierten Quantencomputern performt, ist Fokus dieser Podcast-Folge mit dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik Immanuel Bloch.

Annealing – zu Deutsch „Glühen“ – ist ein Vorgang in der Werkstoffkunde, bei dem durch Anwärmen, Durchwärmen und anschließendem Abkühlen von meist metallischen Werkstücken diese in einen gewünschten Zustand überführt werden können. Beim Quantum Annealing wird ein ähnliches Prinzip verwendet: Quantenzustände werden derart manipuliert, dass mit ihnen bestimmte Algorithmen ausgeführt werden können. Diese ermöglichen es, mathematische Probleme – beispielsweise aus der Optimierung – zu lösen. Wie weit ist dieser technologische Ansatz? Wie unterscheidet er sich vom üblichen gatterbasierten Quantencomputing? Welche Anwendungsfälle sind geeignet und welche Herausforderungen bestehen derzeit? Diese und viele weitere Fragen besprechen wir in unserer neuen Folge mit Dr. Tobias Stollenwerk, dem aktuellen Leiter der Gruppe Quantenalgorithmen am Institut für Quantencomputing-Analytik (PGI-12) des Forschungszentrums Jülich.

Quantencomputer könnten schon bald in der Lage sein, asymmetrische Kryptographie-Verfahren wie die RSA-Verschlüsselung zu knacken. Daher investieren immer mehr Regierungen weltweit in neue „quantensichere“ Kryptographie-Verfahren: die sogenannte Quantenkryptographie. In der siebten Folge des Quantenradars beschäftigen wir uns mit dem Thema Kryptographie mit Hilfe von Quantenphysik – einem noch sehr jungen Verschlüsselungsansatz, der höchste Informationssicherheit verspricht. Hierzu sprechen wir mit unserem Gast Prof. Dr. Christoph Marquardt vom Lehrstuhl für Optische Quantentechnologien der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg über Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution / QKD) und Quantenkommunikation, den Grundlagen von Quantenkryptographie. Wie der Stand der Technik ist, was es mit Post-Quanten-Kryptographie auf sich hat und wer die wichtigen Player auf dem noch jungen Feld der Kryptographie sind, das beleuchten wir für euch auf der Tonspur – noch klassisch verschlüsselt – in der neuen Folge des Quantenradars.

Nicht nur im Bereich Computing, sondern auch in den Bereichen Sensorik und Kommunikation versprechen sich viele Automobilhersteller und deren Zuliefererindustrie perspektivisch Vorteile, wenn sie quantenbasierte Technologien einsetzen. Bereits im März 2017 hatte Volkswagen bekannt gegeben, mit dem kanadischen Quantencomputerhersteller D-Wave zu kooperieren. Die Partner haben in einem ersten Anwendungsfall demonstriert, wie Quantencomputing eingesetzt werden kann: Ziel war, den Verkehrsfluss in Peking auf Basis realer Daten von Taxis zu optimieren. In dieser Folge sprechen wir mit Alissa Wilms von Porsche Digital – der Digitaleinheit der Porsche AG – über den aktuellen Stand der Technik beim Einsatz von Quantentechnologien in der Automobilbranche, laufenden Arbeiten in der Forschung und Entwicklung, und nicht zuletzt darüber, wie der Technologietransfer angegangen wird.

Von Software und Algorithmus über Operationen, Signalebis zu Verstärkern und QBits. Zusammen mit Dr. Moritz Kirste von Zurich Instruments – ein Unternehmen, das u.a. Kontrollsysteme für Quantencomputer entwickelt und vertreibt – diskutieren wir verschiedene Aspekte und Herausforderungen bei der Entwicklung von Supraleiter-basierten Quantencomputern. Außerdem ordnen wir den Hype noch einmal ein: Im November 2022 hat IBM seinen neuen auf supraleitenden Schaltkreisen basierenden Quantencomputerprozessor namens „Osprey“ vorgestellt. Dieser verfügt nun über 433 Qubits und damit über knapp viermal soviele im Vergleich zum Vorgängermodell. Wieviel besser ist der neue Prozessor und welche technologischen Herausforderungen stellen sich bei der Skalierung von Quantencomputern? Neben dem eigentlichen Prozessor und der Software ist die zum Quantencomputer gehörende Kontrollelektronik ein zentrales Element, das wir in dieser Folge näher beleuchten werden.

Metrologie ist die Wissenschaft vom Messen und ihre Anwendung. In dieser Episode beantworten wir die Frage, was Metrologieinstitute mit der Entwicklung neuer Quantentechnologien zu tun haben. Mit unserem Gast Nicolas Spethmann von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, der nationalen Metrologieinstitution, diskutieren wir die Folgen der sogenannten Revolution des internationalen Einheitensystems im Mai 2019 für die Entwicklung von Quantentechnologien. Ein weiterer Aspekt im Gespräch ist die Bedeutung von Quanten-Metrologie und -Sensorik für Unternehmen. Wir beenden die Folge mit einem Ausblick auf das kommende Jahr.

Viele technisch Interessierte haben zumindest eine grobe Idee davon, wie ein Quantencomputer aussieht. Aber wie funktioniert eigentlich ein Quantencomputer? Wie lassen sich die modernen Rechner programmieren? Und wie sieht der Alltag einer Quantenprogrammiererin aus? Darüber unterhalten wir uns in der dritten Podcast-Folge mit Dr. Dr. Regina Finsterhölzl, die an der Universität Konstanz zum Thema Quantenfehlerkorrektur forscht. Dabei sprechen wir über die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von klassischen Computern und Quantencomputern, die Potenziale der Fehlerkorrektur für das Quantencomputing – sowie die Möglichkeiten, zu Forschungszwecken auf einen Quantenrechner zuzugreifen. Eine Erkenntnis: Die Einstiegshürden für interessierte Anwender:innen sind niedriger als zumeist angenommen.

Um eine Technologie aus der Grundlagenforschung und den Laboren in ein marktfähiges Produkt zu überführen, bedarf es verschiedenster Akteure, die äußerst effizient zusammenarbeiten müssen. Das gilt umso mehr für die Entwicklung von Quantentechnologien. In dieser Episode widmen wir uns der Frage, welche Bedeutung Ökosysteme, Netzwerke und Kollaborationen für die Entwicklung von Quantentechnologien der 2. Generation haben. Gemeinsam mit unserem Gast Johannes Verst, CEO vom Quantum Business Network (QBN), sprechen wir über den Status Quo in Deutschland und Europa, den USA und China – und diskutieren über hemmende und beschleunigende Faktoren bei der Entwicklung marktreifer Quantentechnologien. Dabei bekommen wir u. a. einen praktischen Einblick in den Arbeitsalltag von Johannes Verst und die Ziele vom Quantum Business Network.

Das Verhalten von Atomen und Molekülen wird durch Regeln der Quantenmechanik bestimmt. Bei der Simulation von chemischen Reaktionen müssen diese Formulierungen vereinfacht werden, da man sonst selbst bei einfachen Reaktionen mit klassischen Computern schnell an deren Grenzen stößt. Die so erzielten Ergebnisse stellen dann lediglich Näherungslösungen dar und benötigen lange Berechnungszeiten. Quantencomputer versprechen demgegenüber effizientere Berechnungen mit genaueren Ergebnissen, da sie das quantenmechanische Verhalten direkt abbilden können. Zusammen mit unserem Gast Dr. Michael Kühn beleuchten wir den aktuellen Entwicklungsstand, wo sich Perspektiven eröffnen – und welche praktischen Anwendungsmöglichkeiten diskutiert werden.