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Quantentechnologien : Wettlauf um den Quantencomputer Made in Germany

An der PTB in Braunschweig arbeitet man bereits an einem Ionenfallen-Quantencomputer. Der Einsatz (rechts oben) zeigt zwei einzelnen gespeicherte Ionen, mit denen Rechenoperationen durchgeführt wurden. Bild: LUH, PTB

An vielen Orten Deutschlands wird an leistungsfähigen Quantencomputern gearbeitet, zum Teil in Zusammenarbeit mit großen IT-Firmen. Nun will auch das Land Niedersachsen einen solchen Wunderrechner bauen. 400 Wissenschaftler sind an dem Projekt beteiligt.

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          Das Land Niedersachsen und mehrere dort ansässige Forschungseinrichtungen, Universitäten und Unternehmen haben sich zu einem Bündnis zusammengeschlossen, das bis 2025 einen Quantencomputer auf Basis der Ionenfallen-Technologie für Deutschland entwickeln will. Dazu soll die Expertise von mehr als 400 Wissenschaftlern der beteiligten Institute gebündelt werden, teilten das niedersächsische Wissenschaftsministerium und die Volkswagen Stiftung am Freitag mit.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der geplante Quantencomputer wird als Quantenbits – auch Qubit, wie die quantenphysikalischen Pendants der klassischen Bits heißen – geladene Atome nutzen, die in einer Ionenfalle gespeichert und darin mit elektrischen und magnetischen Feldern in der Schwebe gehalten werden. Weil ein Qubit nicht nur die binäre Zustände „1“ und „0“ annehmen kann, sondern auch alle Zwischenzustände, und zwar gleichzeitig, ist ein Quantenrechner in der Lage, komplexe mathematische Aufgaben und Optimierungsprobleme schneller zu lösen als jeder Supercomputer. Vorausgesetzt, er verfügt über mehrere Dutzend Quantenbits und ein leistungsfähiges Fehlerkorrektursystem.

          Die Ionenfallentechnologie gilt als einer der vielversprechendsten Ansätze, um skalierbare Quantencomputer zu entwickeln. Physiker von der Universität Innsbruck verfügen mit zwanzig Qubits über den derzeit leistungsfähigsten Ionenfallen-Quantencomputer. Die beiden IT-Riesen IBM und Google haben aktuell die größten Quantenrechner mit 54 und 64 Quantenbits in ihren Entwicklungszentren stehen. Beide Systeme beruhen auf Qubits in Form von tiefgekühlten Mikrowellenresonatoren und sollen in den kommenden Jahre auf mehr als hundert Qubits erweitert werden.

          Der Quantencomputer „IBM Q System One“
          Der Quantencomputer „IBM Q System One“ : Bild: IBM

          Google hatte mit seinem Quantenrechner „Sycamore“ im vergangenen Jahr für Aufsehen gesorgt, weil er erstmals eine mathematische Aufgabe schneller lösen konnte als ein Supercomputer. Allerdings ist es noch längst nicht ausgemacht, auf welcher der beiden Technologien ein künftiger universell nutzbarer Quantencomputer tatsächlich beruhen wird. Noch ist viel Forschungsarbeit auf beiden Seiten zu leisten.

          Über die Cloud für jeden zugänglich

          Die Gründungsinstitutionen des neuen Forschungsverbunds „Quantum Valley Lower Saxony“ (QVLS) in Niedersachsen sind die Leibniz-Universität Hannover, die TU Braunschweig, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), das Albert-Einstein-Institut der Max-Planck-Gesellschaft sowie das Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnikkonzern Sartorius AG. Mehr als 220 Millionen Euro seien in den vergangenen zehn Jahren in die Quantenforschung geflossen, damit sei die niedersächsische Quantenforschung auf Spitzenniveau, so der Lenkungskreis von QVLS.

          Das Ziel sei nicht nur, in der Forschung voranzukommen. Mit einer eigenen Geschäftsstelle solle ab Januar 2021 der Technologietransfer in die Wirtschaft und die Start-up-Szene einen Schub erhalten. Das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur und die Volkswagen-Stiftung werden das Projekt kurzfristig mit Mitteln aus dem Niedersächsischen „Vorab“ fördern. Gleichzeitig bewirbt sich das Bündnis um zusätzliche Gelder aus dem jüngsten Konjunkturpaket der Bundesregierung und den staatlichen Förderprogrammen für Quantentechnologien.

          Ein Forscher hantiert an dem  Kryostaten für den Quantencomputer OpenSuperQ.
          Ein Forscher hantiert an dem Kryostaten für den Quantencomputer OpenSuperQ. : Bild: Forschungszentrum Jülich

          Niedersachsen ist nicht das einzige Bundesland, dass an einem leistungsfähigen Quantencomputer Interesse zeigt. So wird am IBM-Rechenzentrum in Ehningen bei Stuttgart derzeit ein „IBM Q System One“-Rechner installiert, der dort Anfang des kommenden Jahres in Betrieb gehen soll. Einer der ersten Nutzer wird das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF sein. Auch in Nordrhein-Westfalen wird am Forschungszentrum Jülich seit einiger Zeit ein Quantencomputer entwickelt. Das System „OpenSuperQ“ soll, so ist das Ziel, über gut 100 Quantenbits im Endausbau verfügen. Es beruht wie die Rechner von Google und IBM auf supraleitenden Resonator-Schaltkreise. Das Betriebssystem wird eine Open-Source-Software sein, über die im Prinzip jeder auf den Quantencomputer zugreifen und ihn für seine Zwecke nutzen können soll. „OpenSuperQ“ soll vor allem für die Simulation chemischer Reaktionen und physikalischer Vorgänge in Festkörpern sowie für die Optimierung von Materialeigenschaften gedacht. Er wird auch, so die Hoffnung, das maschinelle Lernen und damit die Künstliche Intelligenz voranbringen. Gleichzeitig arbeitet man mit der kanadischen Firma „D-Wave-Systems“ zusammen, die ihren Quantenprozessor über die Cloud den Jülicher Forschern zu Verfügung stellen wird.

          Angesichts der vielen geplanten und bereits angelaufenen Projekte wird klar: Wie überall in der Welt, so ist auch in Deutschland ein Wettlauf um den schnellsten Quantencomputer entbrannt. Bleibt zu hoffen, dass man die Arbeiten hierzulande untereinander abstimmt, Transparenz walten und den jeweils anderen an den Ergebnissen teilhaben lässt.

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