Der Bau eines Quantencomputers

Professor Leo Kouwenhoven ist Mitglied des Quantenteams von Microsoft und leitet zudem ein Forscher- und Ingenieursteam in Microsofts Quantum-Labor im niederländischen Delft. Wir haben Professor Kouwenhoven gefragt, was den Bau eines Quantencomputers so schwierig macht.

Diese Frage ist gar nicht so einfach zu beantworten. Zunächst einmal gilt, dass für das Verhalten von Atomen und Molekülen die Gesetze der Quantenmechanik maßgeblich sind. Im Gegensatz zu ‚unserer‘ Welt, wo Bälle und Äpfel auf den Boden fallen, also die Regeln der klassischen Physik gelten. Worüber wir uns jedoch noch nicht im Klaren sind, das ist die Verbindung zwischen diesen beiden Regelwerken.

Um einen Quantencomputer zu bauen, ist vor allem das Verständnis vom Bau und der Steuerung eines Quantensystems erforderlich. Und das ist nicht einfach! Wir verwenden klassische Signale sowie Objekte und versuchen, das Quantenverhalten in diesen Materialien „zum Leben zu erwecken”.

Dabei handelt es sich aber nicht um dieselben quantenmechanischen Vorgänge, wie in Atomen und Molekülen. Vielmehr verwenden wir hier elektronische Chips, die wir so entwickeln und steuern, dass das vorherrschende Verhalten der Elektronen in diesen Chips quantenmechanischen Prinzipien folgt.

Quantencomputer für unterwegs?

Man könnte glauben, dass ein Quantencomputer sehr klein ist – schließlich verwenden wir doch für den Bau eines Quantenschaltkreises extrem kleine Bestandteile. Ganz richtig ist das aber nicht: der Quantenschaltkreis selbst ist wirklich winzig klein – mit freiem Auge nicht einmal sichtbar. Dafür ist das Gerät, das für seine Kühlung und Steuerung benötigt wird, sehr groß. Zumindest im Vergleich mit den Computern, die wir heutzutage bereits in der Tasche herumtragen.

Warum aber müssen wir den Schaltkreis mit so großen Geräten kühlen? Das liegt daran, dass wir seine Temperatur beinahe auf den absoluten Nullpunkt – null Kelvin – senken müssen, damit die Elektronen in diesen Chips einen quantenmechanischen Zustand erreichen.

Bei Raumtemperatur ist alles klassisch und nicht quantenmechanisch. Bei Letzterem käme es zu einer Superposition von Objekten. Sie würden sich also zur selben Zeit an zwei verschiedenen Positionen befinden. Bei diesen niedrigen Temperaturen, die von meterhohen Kühlsystemen erreicht werden, können wir einen quantenmechanischen Zustand herbeiführen.

Das ist nicht unbedingt für die Hostentasche und für unterwegs geeignet!

Microsofts Quantenansatz

Der Ansatz von Microsoft in Hinblick auf Quantencomputer ist ein etwas Anderer: man nennt diesen Ansatz ‚topologisch‘. Einen Quantenschaltkreis im herkömmlichen Sinne zu bauen, kann man mit der Konstruktion eines Kartenhauses vergleichen. Dabei versucht man, ein großes Gebilde aus übereinander geschlichteten Karten zu bauen, das durch geringste Störungen oder Erschütterungen von außen zum Einsturz gebracht wird.

Ein topologischer Schaltkreis mit topologischen Qubits ist dagegen eher mit Lego-Steinen vergleichbar. Beim Lego lassen sich die Steine einfacher miteinander verbinden und es können große Strukturen gebaut werden, ohne das gesamte Gebilde zu schwächen.

Das ist also der bedeutende Unterschied zwischen Schaltkreisen, die mit Qubits gebaut werden, und Schaltkreisen, die aus topologischen Qubits bestehen: Je größer ein Kartenhaus wird, desto instabiler wird es, während eine Lego-Struktur mit wachsender Größe immer robuster wird.

„The future is quantum”

Durch unseren kollaborativen Quantenansatz können wir wissenschaftliche Erkenntnisse beschleunigen und Computing auf ein neues Level bringen. Solche Innovationen werden einzig von einem Zusammenwirken aus Ingenieurskunst und Theorie ermöglicht.

Mit einem stabilen topologischen Qubit können wir schnell skalieren und dazu beitragen, einige wirkliche Probleme unserer Welt mit Quantencomputern zu lösen. Gemeint sind solche Probleme, die etwa Klimawandel, Gesundheit, finanzielle Herausforderungen, Optimierungspuzzles, Verkehrsstaus, Robotik, und viel, viel mehr betreffen.

Schließt man einen Quantencomputer an die Azure-Cloud-Plattform an, so wird seine Rechenleistung einer größeren Anzahl von Menschen zur Verfügung gestellt. Diese Menschen – zu denen auch Sie gehören – erhalten dadurch ungeahnte Möglichkeiten und können so Großartiges leisten.

„The future is quantum”: In unserer Zukunftsvision sind Quantencomputer tonangebend – deshalb möchte Microsoft dieser Revolution den Rücken stärken. Und Sie sollen auch ein Teil davon sein.