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Auf dem Weg zum Quanten-Internet

Forschern des IST Austria gelangen Fortschritte in der Quantentechnologie, von denen man sich Durchbrüche in komplexen Gebieten erhofft. Wird damit eines Tages vielleicht sogar das Klimaproblem gelöst?

„Quantencomputer können nicht die Welt retten“, dämpft Experimentalphysiker Johannes Fink, Arbeitsgruppenleiter am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg, überzogene Erwartungen an die Computergeneration der Zukunft. „Aber sie sind zum Beispiel in der Lage, chemische Prozesse zu simulieren und damit Probleme zu lösen, die derzeit nicht lösbar sind.“ Das geht erst recht, wenn solche Quantencomputer miteinander vernetzt sind – und genau daran arbeitet die Forschergruppe am IST. Ein wichtiger Schritt ist mittlerweile gelungen: Die Wissenschaftler konnten in Experimenten eine Mikrowellenstrahlung erzeugen, mit deren Hilfe sich so eine Vernetzung möglicherweise durchführen lässt.

Dazu darf die Strahlung nur eine minimale Signalstärke aufweisen: „Wir aber arbeiten mit Signalstärken, bei denen die Zubereitung eines Schnitzels wahrscheinlich einige Millionen Jahre dauern würde“, veranschaulicht Fink. Die Forscher unter Führung von IST-Mitarbeiter Shabir Barzanjeh haben einen Mikrochip gebaut, auf dem ein Siliziumbalken aufgebracht ist. Dieser ist gerade einmal drei Hundertstel Millimeter lang und fungiert als mechanischer Oszillator: Er schwingt und schlägt dabei ein paar Billionstel Millimeter weit aus, das entspricht etwa der Größe eines Atomkerns. In der Welt der Quantenphysik sind das riesige Dimensionen und genug, um die gewünschte Strahlung zu erzeugen.

 

Datentransport bei Eiseskälte

Jede Molekularbewegung, die bei Wärme auftritt, beeinträchtigt jedoch den Quanteneffekt. Der Chip der niederösterreichischen Forscher befindet sich daher in einem Metallzylinder, dessen Inneres fast bis auf den absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius gekühlt ist. Auch mikrochip-basierte Quantencomputer funktionieren nur unter solchen extremen Temperaturbedingungen. Das ist der Grund, warum die Datenübertragung zwischen Quantencomputern derzeit fast unmöglich ist: Sobald sie die Eiseskälte der Quantenwelt verlassen, etwa in den Glasfaserleitungen „klassischer“ Computernetze, gehen Quanteninformationen verloren.

Verschränkte Strahlung (s. Lexikon), die mit Hilfe des Oszillators am IST in Zukunft erzeugt werden könnte, überwindet diese Hürde. Sie erlaubt die Teleportation der Information: Diese ist durch die gegenseitige Abhängigkeit der einzelnen Komponenten im gesamten System verfügbar, ohne dass ein Datentransport durch den physikalischen Raum stattfinden muss. Quantencomputer arbeiten nicht mit dem binären Bit-System der klassischen Rechner, sondern nutzen Quantenbits, in denen es auch Zwischenzustände gibt, und sind damit wesentlich leistungsfähiger. Weil sie nur bei Tiefsttemperaturen funktionieren und daher nur in speziellen Rechenzentren laufen, werden sie nie den PC ersetzen und Photoshop schneller machen. Sie zu vernetzen, also ein „Quanten-Internet“ zu schaffen, würde jedoch neue Dimensionen eröffnen, sagt Fink. So könnte man durch die Simulation komplexer Vorgänge nicht nur neue Medikamente entwickeln oder künstliche Intelligenz weiter verbessern, sondern zum Beispiel auch Möglichkeiten finden, schädliches CO? der Atmosphäre zu entziehen. Vom Retten der Welt wäre man damit möglicherweise gar nicht so weit entfernt.

LEXIKON

Quantenverschränkung bedeutet,

dass Teile des quantenmechanischen Systems miteinander korrelieren, sodass die Eigenschaften eines Teils jene der anderen Teile definieren. Diese Eigenschaften werden aber erst durch die Messung festgelegt. Wie von Geisterhand springt die Information eines Teilchens dann auf das andere über, unabhängig von ihrer Entfernung. Einstein bezeichnete das Phänomen daher 1935 als „Spuk“.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 13.07.2019)