Auf dem Weg zum Schweizer Supercomputer

Der kleine, golden glänzende Mikrochip in den Händen von Andreas Wallraff wirkt wie ein Schmuckstück. Einfallendes Licht spiegelt sich an der glatten Oberfläche und macht feine Mäandermuster sichtbar. Auf dem Chip befinden sich mikroelektronische Schaltungen aus supraleitendem Material.

Sie nutzen die Quantennatur von Lichtteilchen aus, um Informationen zu verarbeiten. Im Quantum Device Lab, dem Labor des deutschen Festkörperphysikers Wallraff an der ETH Zürich, treffen zwei revolutionäre Entwicklungen des 20. Jahrhunderts aufeinander: die Informationstechnologie und die Quantenphysik.

«Ich genoss dort die Forschungsfreiheit»

«Es fing in einem leeren Raum an», erzählt Andreas Wallraff. Als er im Frühling 2006 die Yale University im US-amerikanischen New Haven verliess und dem Ruf an die ETH Zürich folgte, stand er vor leeren Laborräumlichkeiten. Ganz nach seinem Geschmack. So konnte er seiner Experimentierfreudigkeit freien Lauf lassen und ein eigenes Labor auf die Beine stellen. «Ich genoss dort die Forschungsfreiheit», sagt der 40-jährige Professor. Mittlerweile ist das Quantum Device Lab vollständig mit hoch entwickelten Messapparaturen ausgestattet.

Die rund zwanzigköpfige Forschungsgruppe untersucht Quanteneffekte in elektronischen Schaltkreisen und führt damit fort, was Wallraff an der Yale University begann. Dort stiessen die Wissenschaftler eine Technik an, die heute weltweit in etwa fünfzig Laboren weiterentwickelt wird: Sie zeigten, wie auf Mikrochips einzelne Lichtquanten Daten übertragen können. «Dieser Prozess ist tausendmal energieeffizienter als die Informationsübertragung in herkömmlichen Computern», schwärmt Wallraff.

Supraleitende Quantenspeicher

Für seine innovative Forschungstätigkeit erhielt Andreas Wallraff letzte Woche den mit 200 000 Franken dotierten Max-Rössler-Preis. Unter 380 ETH-Professoren fiel die Wahl auf den Leiter des Quantum Device Lab, der das noch junge Forschungsfeld der Quanteninformationsverarbeitung vorantreibt. Die ETH Zürich will die Quantenwissenschaften in den kommenden Jahren gezielt fördern. Der von Max Rössler gestiftete Preis wird seit 2009 vergeben und richtet sich an ETH-Professoren, die am Anfang ihrer Karriere stehen und jüngst eine permanente Professur erhielten.

Zurück in Wallraffs Labor: Vielleicht leisten die Wissenschaftler hier gerade die entscheidende Grundlagenforschung auf dem Weg zu supraleitenden Quantencomputern. In eineinhalb Meter langen, zylinderförmigen Kryostaten, die von der Decke herunterhängen, kühlen sie die in einem Reinraum gefertigten Mikrochips ab. So lange, bis die Temperatur beinahe auf den absoluten Nullpunkt gefallen ist – nur etwa ein Hundertstelgrad davon entfernt. «Kälter als das Universum» sei es in den Kühlgeräten, sagt Wallraff. Solch tiefe Temperaturen sind nötig, damit die Wärmestrahlung der Umgebung die quantenmechanischen Eigenschaften der elektronischen Bauelemente nicht überdeckt.

Alle hundert Schritte ein Fehler

Mit Quanten als kleinsten Informationseinheiten ist es möglich, Daten exponentiell effizienter zu speichern und zu übertragen als in unseren heutigen Rechenmaschinen. Die Wissenschaftler nennen die kleinsten quantenmechanischen Speichereinheiten Quantenbit oder Qubit – analog zum klassischen Bit. Schon mit 300 Qubits liessen sich gleichzeitig mehr Zahlen als die Anzahl der Atome im Universum speichern, erklärt Andreas Wallraff. Datenbanken könnten schneller durchsucht und Verschlüsselungsverfahren geknackt werden.

So die Theorie. Aber auch Quantencomputer haben ihre Schwächen: Sie sind extrem störanfällig. Um mit Quanten zu rechnen, müssen die Physiker deren Zustände kontrollieren. Dazu legen sie elektromagnetische Felder an. Diese Wechselwirkung mit der Aussenwelt kann die Quantenzustände jedoch leicht zerstören, und so gehen Informationen verloren.

Das zu verhindern, ist eine grosse Herausforderung. «In der Elektronik unserer heutigen Computer passieren praktisch nie Fehler, bei Quantenrechnern aber momentan noch etwa alle hundert Schritte», sagt Wallraff und fährt fort: «Die existierenden Computersysteme sind bereits wahnsinnig gut.» Das bisher grösste Register aus Quantenspeichern, die miteinander kommunizieren, realisierten Physiker der Universität Innsbruck. Sie verschränkten 14 Qubits. Im Quantum Device Lab experimentieren die Forscher derzeit mit maximal vier Qubits. Diese sind dafür supraleitend. «Ein vielversprechender Ansatz», meint Wallraff. Supraleiter transportieren Strom bei niedrigen Temperaturen verlustfrei und ermöglichen es, Informationen einige Mikrosekunden lang zu speichern. Fast schon eine Ewigkeit in der Quantenwelt.

Optimales Bauelement gesucht

Wird mein Laptop in der Zukunft durch den Quantencomputer ersetzt? «Nein», sagt Andreas Wallraff. Aber in der Messtechnik könnten durchaus nützliche und effiziente Anwendungen gefunden werden. Ganz ausschliessen, dass der Quantencomputer dereinst den Computermarkt revolutioniert, will der Physiker dann aber doch nicht. Schliesslich habe es im Jahr 1947 die Entwicklung des Transistors gebraucht. Ohne diese Erfindung stünde heute nicht an jedem Arbeitsplatz ein Computer. Der erste Transistor schaltete bloss wenige Male pro Sekunde, und seine Abmessungen lagen im Zentimeterbereich. Inzwischen haben auf der gleichen Fläche einige Milliarden Transistoren Platz, und die Taktfrequenz liegt bei bis zu drei Gigahertz.

«Die optimalen Elemente für den Quantencomputer sind einfach noch nicht gefunden», lautet Wallraffs Fazit. Ob das je der Fall sein wird? Und wenn ja, wann? Der Antwort auf diese Fragen schaut auch der Physikprofessor mit Spannung entgegen. Mit dem optimalen Bauteil ist es aber nicht getan. Auch das Kühlsystem muss erst optimiert werden, um den Quantencomputer irgendwann konkurrenzfähig zu machen.