Grundlagenforschung zu Quantencomputern: Rostocker Physiker erhält Millionenpreis

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Mit den Worten "Wir überzeugen das Licht, Dinge zu tun, die es freiwillig nicht tut", versucht Alexander Szameit Besuchern die Bedeutung seiner Arbeit klarzumachen. "Wir biegen es, wir sagen ihm, dass es sich nicht ausbreiten soll, wir lassen es um die Ecke gehen." Die Vorstellung, Licht auf einer gekrümmten Bahn um ein Objekt herumzuleiten, ist höchst spannend. Sie ist gleichzeitig so komplex, dass selbst ausgebildete Physiker sich heftigst anstrengen müssen, ihm zu folgen, gibt der Physikprofessor zu.

Beitrag zu Quantencomputern

Ziel der Arbeit des 38-Jährigen und seines Teams ist, einen Beitrag zur Entwicklung von Computern der nächsten Generation zu leisten: Quantencomputer werden tausend Mal schneller sein als die heutigen Computer, sagt Szameit. Die Bedeutung seiner Forschung wird so hoch eingeschätzt, dass der Familienvater am Donnerstag in Essen mit dem renommierten "Alfried-Krupp-Förderpreis für junge Hochschullehrer" ausgezeichnet wird. Eine Million Euro ist dieser Preis wert.

Alexander Szameit und Kollegen forschen an integrierten optischen Bauelementen für Quantencomputer, die mit einzelnen Photonen arbeiten. Qantencomputer arbeiten mit Quibits statt mit Bits. Ein Quibit ist ein Quantensystem, das zwei Zustände einnehmen kann, die miteinander überlagert sind. Das macht Quantencomputer - theoretisch - sehr mächtig, allerdings sind Qubits äußerst fragile Gebilde, die bei einer Wechselwirkung mit der Außenwelt schnell zerfallen.

Viele Forschungsgruppen und Unternehmen wie Google arbeiten daher derzeit mit supraleitenden Schleifen, deren magnetischer Zustand das Qubit repräsentiert. Diese Systeme sind technisch im Moment am weitesten - allerdings auch sehr aufwendig. Sie müssen beispielsweise extrem gut gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt und auf Heliumtemperatur heruntegekühlt werden. Die Polarisation von Photonen als Qubits zu benutzen, ist technisch sehr viel einfacher, allerdings sind die optischen Elemente, mit denen die einzelnen Qubits miteinander verknüpft werden, in einem diskreten Aufbau zu instabil und ineffizient, eine interessante Zahl an Qubits miteinander zu verknüpfen.

Weltweit arbeiten Forschungsgruppen wie die von Szameit und Kollegen daher an integrierten optischen Chips mit Wellenleitern, die die Polarisation erhalten, Strahlteilern und Elemente zur Phasenverschiebung beinhalten.

Forschungserfolge

Szameit habe mit außergewöhnlichen Forschungserfolgen beeindruckt, die er in seiner noch jungen Laufbahn erzielt hat, sagt Ursula Gather, Kuratoriumsvorsitzende der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung. Szameit hatte sich gegen 41 Konkurrenten durchgesetzt. Er habe sich von vielen Teilgebieten der Physik inspirieren lassen. Dazu gehörten die Physik der festen Körper, die Teilchenphysik, die Quantenmechanik, die Atomphysik und sogar die Kosmologie.

"Unsere Aufgabe ist es, Computer zu bauen, die nicht mit Elektronen, sondern mit Licht funktionieren." Die herkömmlichen Computer gerieten an ihre Grenze und könnten nicht mehr kleiner, schneller oder besser werden. Aber moderne Technik schreite so rasch voran, dass neue Lösungen notwendig sind. Aktuell wird mit selbstfahrenden Autos experimentiert. "Doch die müssen zu jeder Millisekunde über so viele Daten verfügen, dass das nicht mit gängigen Computern möglich ist", sagte der Physiker, der an der Universität Rostock im Bereich der Experimentellen Festkörperoptik arbeitet.

Die neuen Computer werden aus Glaschips als wesentlichem Bestandteil bestehen, sagt der gebürtige Hallenser und führt einen nur einen Millimeter dicken durchsichtigen Chip vor. "Wir versuchen, das Licht auf kleinstem Raum einzusperren und ihm trotzdem zu sagen, auf welchen Bahnen es zu laufen hat."

Noch viel zu lösen

Noch gibt es immens große Probleme bei der Entwicklung der Quantencomputer zu lösen, angefangen bei der Frage nach der Computerprogrammierung und -sprache. Die Entwicklung werde ganz schnell voranschreiten, sagt Szameit, denn der ökonomische Druck ist spürbar. Auch das Smart Home brauche viel schnellere Rechner. Da werde es nicht nur darum gehen, dass der Kühlschrank meldet, ob Milch oder Gemüse fehlt. Die Visionäre der "Neuen Welt" gingen davon aus, dass die Sensoren merken, welche Laune aktuell ein Bewohner hat und ob er nun ein Glas Wein oder einen Apfelsaft haben möchte.

[Update 21.11.2017 10:55]:

Hintergrundinformationen zur Arbeit von Alexander Szameit und zu Quantencomputern ergänzt (mho)