Millionen Moleküle: TU Wien arbeitet an Quanten-Durchbruch

Es ist ein internationales Kräftemessen: Wer baut den Quantencomputer mit den meisten Qubits? Konzerne wie Google und IBM duellieren sich mit dieser Zahl. Je höher sie ist, desto stärker ist die Rechenleistung des Quantencomputers. Diese Qubits lassen sich aber kaum stabilisieren. Kleinste Umwelteinflüsse führen dazu, dass sie Informationen verlieren und unbrauchbar werden. So, als würde eine Festplatte alles löschen, wenn die Temperatur um ein Grad steigt. Deshalb werden Quantencomputer, die mit sogenannten supraleitenden Schaltkreisen funktionieren, in speziellen 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 die Ionenfalle. Die Ionen funktionieren als Qubits. Sie sind stabiler, aber aufgrund der großen Bauteile, die dafür nötig sind, in ihrer Zahl begrenzt.

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 Prof. Jörg Schmiedmayer. Die Lösung aller Probleme könnte ein einziges winziges Teilchen sein. „Wir wollen polare Moleküle als Qubits verwenden“, erklärt Jörg Schmiedmayer. Dabei nutzt er die Eigenschaft von Edelgasen, bei extrem niedrigen Temperaturen Kristalle zu bilden, in denen sich Moleküle einfangen lassen. Das Prinzip wird auch in der Spektroskopie verwendet, um flüchtige Teilchen zu untersuchen. Das will Schmiedmayer jetzt auf Quantencomputer übertragen: „Die Technologie ist seit 70 Jahren bekannt, das hat nur noch niemand gemacht.“ Mithilfe eines Edelgases werden Moleküle direkt auf einem supraleitenden Quantenchip eingefangen und so stabilisiert.

Kleiner und stabiler

Künstlich hergestellte Qubits, wie sie heute verwendet werden, sind größer und instabiler als Moleküle. 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.

Ein weiterer Vorteil ist laut Schmiedmayer, dass die Moleküle sehr viel kleiner sind als künstliche Qubits: „Theoretisch wäre es möglich, nicht nur ein paar Hundert stabil auf einem Chip unterzubringen, sondern eine Million.“

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. Doch es muss sich ein einzelnes Molekül einsperren lassen, mit dem die Forscher dann kommunizieren können, 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 neu Versuchen bestehen, bis das Molekül gefunden ist, das die Welt der Quantencomputer auf den Kopf stellen könnte – oder bis die Erkenntnis kommt, dass die Theorie eine Lücke hat. „Dann müssen wir herausfinden, warum es nicht geht, oder alles umschmeißen, was wir bisher wissen“, sagt der Quantenphysiker.

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.