Quantencomputer gehen regelmäßig als Buzzword durch die Presse und gelten bei einigen als die große Hoffnung, oder gar Revolution, im Technologiebereich. Doch inmitten des großen Hypes herrscht auch viel Unklarheit darüber, was genau Quantencomputer sind, wie weit ihre Entwicklung vorangeschritten ist und wofür sie eingesetzt werden können. Für Aufklärung sorgt Hannes Pichler im Interview mit UNIpress. Der mehrfach ausgezeichnete theoretische Physiker promovierte in Innsbruck. Nach einer Zeit als Postdoc in Harvard und an der Caltech wurde er 2020 Professor an der Universität Innsbruck und Arbeitsgruppenleiter am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Dort forscht er zu Vielteilchen-Quantenoptik.
UNIpress: Herr Professor Pichler, was unterscheidet einen Quantencomputer von einem herkömmlichen Computer?
Hannes Pichler: Ein klassischer Computer speichert Information in Bits. Ein Bit ist einfach irgendein klassisches physikalisches System, das den Zustand 0 oder 1 annehmen kann. Ein Quantencomputer verwendet hingegen ein quantenmechanisches System und kann so ein Quantum-Bit oder „Qubit“ realisieren. Ein Qubit kann sich nicht nur im Zustand 0 oder 1 befinden, sondern kann auch Überlagerungen annehmen und sowohl 0 als auch 1 zugleich sein. Vielleicht klingt das im ersten Moment esoterisch. Aber es gibt sehr scharf definierte Regeln, wie die Quantenmechanik funktioniert, und so etwas lässt die Quantenmechanik zu.
Diese Überlagerungen erlauben es, über Information anders nachzudenken, als man das in der klassischen Informationsverarbeitung macht. Indem man diese quantenmechanischen Effekte ausnutzt, versucht man Quantenalgorithmen zu finden, die gewisse Probleme schneller oder effizienter lösen können, als das ein klassischer Computer kann. Das berühmteste Beispiel ist die Primfaktorenzerlegung großer Zahlen. Das wirkt auf den ersten Blick vielleicht wie ein sehr abgehobenes mathematisches Problem, aber genau das liegt all unserer Verschlüsselung zugrunde, beispielsweise bei Banküberweisungen.
Sind Quantencomputer klassischen Computern generell überlegen – Stichwort „Quantum Supremacy“?
Nur bei bestimmten Problemen. Und die Quantencomputer, die man heute hat, sind eher überschaubar. Damit kann man jetzt noch keine großen Zahlen in Primfaktoren zerlegen, oder irgendetwas machen, wo man offensichtlich sagen kann: Das kann ein klassischer Computer nicht.
Im Allgemeinen sind Probleme, wo Quantencomputer einen Vorteil haben, sehr speziell. Sie haben vielleicht im Alltag oder für den Laien keinen Anwendungsbereich, aber sie sind für die Wissenschaft sehr interessant. Unter anderem glauben wir, dass man mit Quantencomputern beim Design von Materialien viel machen kann. Ein klassisches Beispiel ist die Hochtemperatur-Supraleitung. Es gibt Materialien, die leiten Strom ohne Verlust, wenn man sie sehr kalt macht. Das ist natürlich super. Aber dafür braucht es sehr, sehr tiefe Temperaturen. Es gibt auch Materialien, die diesen Effekt bei höheren Temperaturen zeigen, aber die versteht man noch nicht so gut, weil es für einen klassischen Computer einfach schwierig ist, Quantenmechanik zu berechnen. Aber Quantencomputer können Quantenphysik sehr gut berechnen. Mit Quantencomputern könnte das Verständnis und Design von solchen Materialien also viel besser funktionieren.
Man muss aber auch dazu sagen, dass vieles, was man zu Quantum Supremacy in der Presse liest, oft übertrieben ist. Es stimmt natürlich nicht, dass Quantencomputer alle Probleme bis hin zur Heilung von Krebs lösen werden. Aber für die Wissenschaft sind sie doch sehr vielversprechend.
Wo sind wir in der Entwicklung von Quantencomputern, und was kommt als nächstes?
Momentan wird einfach viel Technologie entwickelt. Es werden dann mit den Prototypen Beispielrechnungen durchgeführt, deren Ergebnisse man eigentlich immer schon im Voraus weiß. Aber es gibt auch Ausnahmen, wo diese Quantenmaschinen schon Effekte gezeigt haben, die man sich vorher noch nicht erwartet oder überlegt hat.
Der nächste Meilenstein wird sein, mit diesen Maschinen irgendein Problem zu lösen, das Leute schon interessiert hat, bevor sie überhaupt wussten, dass es eventuell mal Quantencomputer geben könnte. Ein Problem, das unabhängig von unserem Interesse an Quantenphysik existiert. Und das man mit klassischen Computern bis heute nicht lösen konnte. Wann genau das geht – da möchte ich mich nicht aus dem Fenster lehnen. [lacht] Aber ich kann mir durchaus vorstellen, dass das im nächsten Jahrzehnt passieren kann.
Wie kann man sich Ihre Forschung zu Quantencomputern vorstellen?
In meiner Gruppe beschäftigen wir uns unter anderem mit neutralen Atomen. Hier versuchen wir herauszufinden, wie man damit am besten Quantencomputer bauen kann. Da gibt es relativ tolle neue Experimente mit sogenannten optischen Pinzetten, also stark fokussierten Lasern. In dem Fokus des Lasers, wo die Lichtintensität am größten ist, kann man ein einzelnes Atom fangen. Man nimmt dann mehrere Laserstrahlen her und kann über deren Steuerung die Atome anordnen, wie man will. Das ermöglicht es, neue Arten von Quantenphysik zu machen, weil man so ein Quantenvielteilchensystem Atom für Atom aufbauen kann. Das sind im Wesentlichen die Zutaten, um interessante Quantenphänomene zu sehen und auch Quantencomputer zu bauen.
Foto: Robbie Shone
Sie haben jetzt von Experimenten gesprochen – Sie sind aber Professor für Theoretische Physik. Wie funktioniert die Zusammenarbeit zwischen Theorie und Praxis?
Da gibt es verschiedene Zugänge. Meine Gruppe ist sehr eng am Experiment angebunden. Ich habe bei Professor Zoller in Innsbruck promoviert und schon dort gelernt, dass man interessante Fragestellungen findet, wenn man nah am Experiment arbeitet. Und als ich Postdoc in Harvard war, war ich in einem Labor, in dem sowohl Experimentalphysiker als auch Theoretiker arbeiten. Das war sehr spannend und anregend.
Viele der Ideen, die man als Theoretiker hat, bleiben entweder für immer Ideen oder sie brauchen Jahre, bis man sie experimentell umgesetzt sieht. In Harvard haben wir teilweise am Vormittag Ideen gehabt, und am Nachmittag wurden sie schon umgesetzt. Das hat einfach Spaß gemacht. Man hat gemerkt, dass die Dinge, mit denen man sich theoretisch beschäftigt, sofort einen Impact haben. Insofern habe ich versucht, diesen Spirit mit nach Innsbruck zu bringen und meine Forschung weiterhin sehr nahe am Experiment zu orientieren, weil ich finde, dass das sehr viel bringt.
In Innsbruck gab es aber immer schon einen starken Austausch zwischen Theorie und Experiment, beispielsweise zwischen Peter Zoller und Rainer Blatt. Ich glaube, wir sind da sehr gut aufgestellt.
Neben Universitäten und anderen Forschungsstätten entwickeln mittlerweile auch viele Firmen, beispielsweise Google und IBM, Quantencomputer. Inwiefern spielt neben dem wissenschaftlichen Interesse auch ein kommerzielles Interesse eine Rolle?
Das hat sich in den letzten Jahren stark entwickelt. Als ich mein Doktorat gemacht habe, war das reine Grundlagenforschung. Da gab es von Seiten der Industrie noch relativ wenig Interesse. Aber das hat sich im letzten Jahrzehnt fundamental geändert. Da gibt es große Firmen, die jetzt mitspielen; viel Geld, das da investiert wird. Und natürlich werden da verschiedene Interessen verfolgt. Auch auf Seiten der Forschung wird immer mehr Augenmerk auf kommerzielle Anwendungen gelegt. Sehr viele Professoren haben mittlerweile Spin-Offs, die die Forschung kommerzialisieren. Das hat sich sicher in diese Richtung entwickelt, dass die Quantenwissenschaft jetzt immer mehr Technologie wird und dass auch Grundlagenforschung in einem gewissen Sinn direkt zur Technologieentwicklung beiträgt.
Spürt man in der Wissenschaft ein gewisses Wettrennen oder dominiert eher die Zusammenarbeit?
Es gibt beides. Insbesondere in der Wissenschaft gibt es ein gesundes Maß an Wettbewerbsgeist. Aber es ist auch ein sehr großer Team-Spirit vorhanden – alle ziehen an einem Strang, weil man die Forschung voranbringen will. Es gibt sehr starke Kooperationen und Austausch zwischen den verschiedenen Institutionen. Ich glaube, das ist einer der schönen Aspekte der Wissenschaft: Dass man sehr gut miteinander arbeiten kann.
Dass jetzt immer mehr Firmen ins Feld kommen, macht das Ganze natürlich ein bisschen schwieriger. Je mehr Firmen es gibt und je mehr Geld im Spiel ist, desto kompetitiver wird es und desto schwieriger wird es mit Kooperationen. Das merkt man mittlerweile auch. Natürlich gibt es da global ein sehr großes Wettrennen: Wer hat den ersten Quantencomputer, der dann wirklich etwas lösen kann, das man für etwas „Echtes“ verwenden kann?
Innsbruck ist ein führender Forschungsstandort in Bezug auf Quanteninformation. Was macht Innsbruck aus, und braucht es etwas, um bei uns noch exzellentere Forschung zu ermöglichen?
Was in Innsbruck natürlich super ist, ist die Community. Die ist schon sehr, sehr einzigartig. Einfach die kritische Masse von Leuten – wirklich guten Leuten –, die sich alle mit einem sehr ähnlichen Gebiet auf der Quantenphysik beschäftigen. Jeder Forscher weiß: Das Wichtigste sind Menschen, mit denen man sich austauschen kann. Mit denen man neue Ideen haben kann. In dem Sinn ist das Forschungsumfeld einfach super.
Für eine lange Zeit war Innsbruck einer der wenigen Orte auf der Welt mit einem Fokus auf Quanteninformation. Wir haben eine extrem gute Reputation weltweit: Alle wissen, dass in Innsbruck tolle Forschung gemacht wird. Viele Leute haben im Laufe ihrer Karriere mal in Innsbruck gearbeitet, haben hier etwas gelernt und das dann in die Welt hinausgetragen. In dem Sinn hat Innsbruck einen sehr großen Standortvorteil.
Aber natürlich schläft die Konkurrenz nicht. Mittlerweile gibt es viel mehr vergleichbare Institute auf der Welt. Innsbruck muss schauen, dass es diesen Startvorteil auch in die Zukunft mitnimmt.
Ich glaube, das Wichtigste ist einfach, gute Leute nach Innsbruck zu holen. Die Uni hat jetzt zum Beispiel mit Hannes Bernien, der im Januar hier anfangen wird, ein tolles Beispiel gebracht, wie man Top-Leute identifiziert und herbringt. Das ist genau das, was die Uni braucht. Vielleicht braucht es sogar noch mehr davon. But that’s it.
Gibt es etwas, das Sie sich als Forscher von der Öffentlichkeit noch wünschen würden?
Ich glaube, das Interesse der Öffentlichkeit an der Quantenphysik ist relativ groß. Da sind wir in einer glücklichen Lage. Was man sich manchmal wünschen würde, ist, dass die Berichterstattung über Quantenphysik ein bisschen tiefer geht als nur die reißerischen Headlines. Manchmal geht es da sogar in die Richtung, mit Verschränkung könne man irgendwie Gedanken lesen. [lacht] Das ist dann schon eigenartig. So etwas führt auch einfach zu Missverständnissen darüber, wie sich das Feld entwickelt und was man sich davon erhoffen kann. Man möchte als Forscher ja nicht dargestellt werden wie jemand, der die Welt verspricht und das dann nicht halten kann. Also wünsche ich mir, dass die Diskussion öfter auf einer, nun ja, technischeren Ebene geführt wird. Das ist das Einzige.
