07:03 24 Januar 2020
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    Eines der seit fast 30 Jahren wichtigsten und am meisten diskutierten wissenschaftlich-technischen Projekte der Welt ist der Quantencomputer. Über die wichtigsten Nuancen seiner Arbeit und über akute Aufgaben auf diesem Gebiet spricht Professor Alexej Ustinow im nachfolgenden Interview.

    Ustinow ist ein weltweit anerkannter Experte, Leiter des Labors „Supraleitende Metastoffe“ bei der russischen Nationalen Kernforschungsuniversität (MEPhi). Außerdem ist er Leiter der Gruppe „Supraleitende Quantennetze“ im Russischen Quantenzentrum sowie Professor des Karlsruher Instituts für Technologie.

    - Herr Ustinow, sagen Sie bitte: Was wollen wir eigentlich von einem Quantencomputer?

    - Meines Erachtens geht es in erster Linie um die Entwicklung von Stoffen mit vorgegebenen Eigenschaften. Um ein Molekül mit mehr als 50 inneratomaren Verbindungen zu entwickeln, reicht vorerst nicht einmal die Gesamtstärke aller Computer der Welt aus. Aktuell können wir nur neue stabile Moleküle entwickeln, indem wir experimentell ihre chemischen Eigenschaften prüfen, während ein Quantencomputer diese Aufgaben analytisch lösen könnte.

    Es gibt viele Probleme, die klassische Computer nicht lösen können. Die Prinzipien einer ganzen Reihe von Bereichen – von der Kryptographie bis zur künstlichen Intelligenz – könnten mit der Entstehung des Quantencomputers völlig anders werden.

    Man muss ja darauf hinweisen, dass nach der Erfindung des Transistors mehr als zehn Jahre vergangen waren, bis die Idee zur Entwicklung eines Mikroprozessors entstand  und bis die Aufgaben klar wurden, die er erfüllen könnte. Ich denke, die Situation um den Quantencomputer ist ähnlich – wenn wir die prinzipiellen Schwierigkeiten in den Griff bekommen und ihn effizient bauen können, werden wir viele neue Möglichkeiten entdecken.

    - Was ist ein Qubit?

    - Das ist ein Analog für den Bit im Quantencomputer. Aus der Sicht der Information ist das ein System, das gleichzeitig alle Werte zwischen 1 und 0 haben kann – im Unterschied zum Bit, das entweder 1 oder 0 sein kann – aber nichts mehr.

    Rein physisch könnte jedes Teilchen ein Qubit sein: Atom, Elektron, Photon. Der Magnetmoment eines Teilchens hat zwei Richtungen – sagen wir, nach oben und nach unten – und gerade diese Zustände werden zu den Analogen für 1 und 0 im klassischen Computer.

    Die Informationen in Bits kann man nur konsequent – Bit für Bit – bearbeiten, während Qubits es ermöglichen, dank dem Effekt der Quantenparallelität die ganze Datenmenge auf einmal zu bearbeiten.

    - Wie verlaufen Operationen mit dem Qubit?

    - Die möglichen Werte des Qubits kann man sich wie eine Kugeloberfläche mit einem Einheitsradius vorstellen: Experten nennen das „Bloch-Kugel“. Logische Operationen während der Berechnung erfolgen durch die Bewegung eines Punktes auf dieser Oberfläche.

    Die Verwaltung von Qubits erfolgt durch Mikrowellensignale, die den energetischen Zustand des Teilchens verändern. Die Ergebnisse werden von einem speziellen Resonator abgelesen: Das ist etwas, als würde man den auf den Qubit eingestellten Ton hören, der aber in einem Frequenzbereich liegt, der für Mobiltelefonie typisch ist.

    - Wie viele Qubits wären nötig, damit der Computer funktioniert?

    - Meines Erachtens ist die Zahl nicht entscheidend. Die Stärke des Quantencomputers wächst nicht proportional zur Zahl der Qubits, sondern exponentiell: Wenn wir beispielsweise zu 15 Qubits noch einen Qubit hinzufügen, werden wir die gesamte Rechenleistung verdoppeln.

    Aber um einen Qubit zu schaffen (auf den ersten Blick ist das ein sehr einfaches System, das aus nur einem Teilchen besteht), muss man sehr viele Momente berücksichtigen. Damit beispielsweise bedachte Operationen möglich werden, muss man physische Hindernisse beseitigen, die Rechnungsfehler verursachen können – von Temperaturschwankungen bis zu kosmischen Strahlen. Andernfalls wird statt Berechnungen nur ein Rauschen entstehen.

    Deshalb glaube ich, dass im Moment am Wichtigsten ist, die Eigenschaften der Qubits und die Qualität ihrer Verbindungen zu verbessern. Die Fehler, die bei einem Qubit entstehen, können schon fatal werden, und mit der Zahl der Qubits wächst auch die Fehlerzahl. Prinzipiell wichtig ist die Aufgabe, die Dekohärenz zu überwinden – also ein stabiles und glatt funktionierendes System aus vielen Qubits zu schaffen.

    - Es gibt bekanntlich verschiedene Projekte des Quantencomputers. Welche von ihnen sind Ihres Erachtens besonders aussichtsreich?

    - Es werden zwei wichtigste Plattformen entwickelt. Bei der ersten werden Ionen im Vakuum verwendet, die durch eine Elektromagnetfalle fixiert werden. Die zweite Plattform, an deren Entwicklung unter anderem unsere Labore beteiligt sind, verwendet so genannte Quantenschemata mit dem Josephson-Übergang: Das sind äußerst dünne Aluminium- und Aluminiumoxidfolien auf einer dielektrischen Unterlage, die praktisch auf absolut Null abgekühlt werden.

    Die Entwicklung eines universalen Quantenrechners ist eine Aufgabe, von deren Lösung wir noch sehr weit entfernt sind – das müssen wir quasi zugeben. Die meisten bisherigen Ergebnisse wurden auf so genannten Quantensimulatoren erreicht – auf Anlagen, die für die Lösung von konkreten mathematischen Aufgaben sowie von Aufgaben auf dem Gebiet der theoretischen Physik bestimmt sind, für deren Erfolg der Umfang der Fehler nicht so wichtig ist.

    - Welche Errungenschaften könnten Sie auf diesem Gebiet hervorheben?

    - Das Hauptproblem bei der Quantenrechnung besteht in der Aufrechterhaltung der Qubits-Kohärenz. In den vergangenen 15 Jahren wurden auf diesem Gebiet große Fortschritte errecht: Die Kohärenzzeit der supraleitenden Qubits beträgt heutzutage einige Dutzende Mikrosekunden, und das ist schon sehr viel, auch wenn vorerst nicht ausreichend für die Lösung von angewandten Aufgaben.

    Die Firma Google hat im Oktober einen Quantenprozessor vorgestellt, der faktisch ein Zufallszahlengenerator ist, mit dem im Laufe von 200 Sekunden eine Aufgabe gelöst wurde, für die ein superstarker IBM-Rechner zweieinhalb Tage brauchen würde. Ich denke, dass ist der erste eindeutige Ausdruck der „Quantenüberlegenheit“.

    In Russland wurde auf Basis von mehreren führenden Quantenlaboren (MEPhi, Moskauer Institut für Physik und Technologie (MIPT), Staatliche Technische Universität Moskau „N. E. Bauman“, Russisches Quantenzentrum (RQC), Institut für Festkörperphysik der Russischen Akademie der Wissenschaften) ein supraleitendes Qubits-Konsortium gegründet, das sich erfolgreich entwickelt. In den letzten drei Jahren haben wir eine kolossale Arbeit geleistet – man kann durchaus sagen, dass wir einen zehnjährigen Rückstand auf diesem Gebiet aufgeholt haben. Ich denke, unser Niveau ermöglicht es uns durchaus, unseren eigenen Forschungsweg in diesem äußerst wichtigen Wettrennen zu gehen.

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    Tags:
    Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi)