Wiener Forscher wollen Quantencomputer revolutionieren

Es ist ein internationales Kräftemessen: Wer hat den Quantencomputer mit den meisten Qubits? Große Firmen wie Google und IBM duellieren sich mit dieser Zahl. Je höher sie ist, desto stärker ist die Rechenleistung des Quantencomputers, ein bisschen wie bei der Anzahl der Prozessorkerne eines Heimcomputers. 

Das Problem ist, dass sich diese Qubits nur mit großem Aufwand stabilisieren lassen. Kleinste Umwelteinflüsse führen dazu, dass sie Informationen verlieren und unbrauchbar werden. So, als würde eine Festplatte alles löschen, wenn die Temperatur um einen Grad steigt. 

➤ Mehr lesen: Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Supraleitende Schaltkreise vs. Ionenfallen

Deshalb werden Quantencomputer, die mit sogenannten supraleitenden Schaltkreisen funktionieren, in extrem empfindlichen Umgebungen betrieben. Ihr Aufbau ähnelt einem Luster. Der Großteil ist aber nur der „Kühlschrank“ für einen winzigen Chip an dessen Spitze: der eigentliche Quantencomputer. 

Eine Alternative ist es, stattdessen eine sogenannte Ionenfalle zu nutzen. Die Ionen nehmen dabei die Funktion der Qubits ein und sind deutlich stabiler. Allerdings ist die Zahl der Qubits begrenzter, da für das Fangen einzelner Ionen große, komplexe Bauteile wie ein Vakuumtank aus Stahl nötig sind.

Das Beste beider Welten

Doch was, wenn man die Vorteile der beiden Bauweisen für einen Quantencomputer mit einer Million stabiler Qubits nutzt? Was utopisch klingt, ist das Ziel eines Forschungsteams der TU Wien um Jörg Schmiedmayer. Er erhielt vom European Research Council bereits 2023 eine Förderung, um fundamentale Fragen in komplexen Quantensystemen zu untersuchen. 

Daraus entstand eine neue Idee, Quanten-Technologie zu bauen. Im Jänner wurde diese nun mit zusätzlichen 150.000 Euro gefördert. In 18 Monaten soll aus der fundamentalen Fragestellung ein „Proof-of-Concept“-Prototyp entwickelt werden, mit dem man beweist, dass das Quanten-Technologie-Konzept funktioniert. 

➤ Mehr lesen: So weit sind wir bei Quantentechnologie wirklich

Moleküle werden zu Qubits

Die Lösung aller Probleme könnte ein einziges winziges Teilchen sein. „Wir wollen polare Moleküle als Qubits verwenden“, erklärt Jörg Schmiedmayer der futurezone. Dabei nutzt er die Eigenschaft von Edelgasen, bei extrem niedrigen Temperaturen Kristalle zu bilden, in denen sich Moleküle einfangen lassen. Das Prinzip  ist seit 70 Jahren bekannt und wird auch in der Spektroskopie verwendet, um flüchtige Teilchen zu untersuchen, die sich ohne die Kristall-Falle nicht festhalten lassen. 

„Es hat nur noch niemand versucht, diese Technik mit supraleitenden Resonatoren und Mikrowellen zusammenzubringen“, sagt Schmiedmayer. Mithilfe eines Edelgases werden Moleküle direkt auf einem supraleitenden Quantenchip eingefangen und so stabilisiert.

Kleiner und stabiler als künstliche Qubits

Wie eine kleine Antenne tragen Moleküle auf einer Seite positive und auf der anderen negative Ladung. Daher reagieren sie höchst empfindlich auf elektrische Felder, wie sie von einem Quantenchip erzeugt werden, und es entsteht eine Wechselwirkung. Die Elektronen in den Molekülen interagieren dann mit dem Chip und Informationen werden im Kernspin des Moleküls sekunden- bis minutenlang gespeichert, während Qubits schon nach Millisekunden zerfallen. 

Die Kirsche obendrauf ist, dass die Moleküle sehr viel kleiner sind als die künstlich hergestellten Qubits, die derzeit verwendet werden. „Wenn man auf lange Sicht supraleitende Qubits durch polare Moleküle ersetzen kann, könnte man nicht nur ein paar Hundert Qubits auf einem Chip unterbringen, sondern theoretisch auch eine Million“, so Schmiedmayer.

Suche nach dem richtigen Molekül

Bevor es so weit ist, muss aber bewiesen werden, dass die Theorie auch in der Praxis funktioniert. Das Team konnte unter anderem schon zeigen, dass viele Moleküle mit den Schaltkreisen im Quantenchip in Wechselwirkung treten: "Die Edelgaskristalle sind mit den supraleitenden Schaltkreisen verträglich und machen sie nicht kaputt."

Doch es muss sich ein einzelnes Molekül einsperren lassen, mit dem die Forscher dann kommunizieren können, damit es sich also gezielt messen lässt. „Wir beginnen mit dem Ammoniakmolekül, weil es einfach zu nutzen ist. Das heißt aber nicht, dass es auch das Beste ist“, sagt der Physiker. 

Wie so oft in der Forschung wird diese Reise aus Versuchen, Scheitern, Analysieren und neuen Versuchen bestehen. Bis das Molekül gefunden ist, das die Welt der Quantencomputer möglicherweise auf den Kopf stellen kann. Oder bis die Erkenntnis gefunden wurde, dass die Theorie eine Lücke hat. „Dann müssen wir herausfinden, warum es nicht geht, oder alles umschmeißen, was wir bisher wissen“, sagt der Forscher.

Skalierbare, flexible Quantencomputer

Wäre die Suche erfolgreich, könnte die Methode Quantencomputer flexibler machen. Bestehende Systeme würden stabiler, neue Chips würden passgenau für den jeweiligen Anwendungsbereich gebaut. Banken setzen z. B. auf Wahrscheinlichkeitsrechnungen und Kryptografie, wofür große Mengen Qubits nötig sind. 

Einfache Forschungsfragen können schon mit ein paar Hundert Qubits gelöst werden. Für beide Bedürfnisse könnte diese sogenannte „POLMOL“-Quantentechnologie die Lösung sein.