Eine Aufgabe wie die Mondlandung

Weltweit arbeiten Tausende Forscher an einem gigantischen Ziel: Ein neuartiger Computer, der Aufgaben knackt, an denen alle klassischen Computer scheitern. Die bizarren Gesetze der Quantenphysik sollen dem „Quantencomputer“ zu unfassbarem Rechentempo verhelfen. Es winken heute noch utopische Durchbrüche, etwa in der Materialforschung, in der Optimierung höchst komplexer Logistik oder Verkehrsströme, oder in der Simulation chemischer Reaktionen. So könnte der Quantencomputer beispielsweise den Schlüssel für ein klimaschonenderes Herstellungsverfahren von Kunstdünger liefern.

Doch in einer Garage, wie einst Apples erster Personalcomputer, wird der Quantenrechner sicher nicht entstehen. Dazu ist die Technik dahinter viel zu komplex. Das Vorhaben gleicht eher der ersten Mondlandung. „Der Quantencomputer ist eine extrem ambitionierte Vision“, sagt Tommaso Calarco, Koordinator von Helmholtz Quantum. „Das geht nur konzentriert und einer gemeinsamen Anstrengung“, sagt der Physiker und fügt hinzu: „Forscher, Industrie und Politik brauchen eine gemeinsame Sprache und klare Pläne.“ Die Helmholtz-Gemeinschaft nimmt die Herausforderung an. Sie hat eine Plattform namens „Helmholtz Quantum“ gegründet, um ihre gesamte Quanten-Expertise zu bündeln und einer gemeinsamen Strategie zu folgen.

Diese fügt sich in ein hochdynamisches nationales und internationales Umfeld. Forscher und Industrie testen bereits Prototypen von Quantenrechnern, um zu lernen, wie man sie anwendet. Einen davon hat die Fraunhofer-Gesellschaft von IBM gekauft, der nun von Firmen wie BASF oder Bosch benutzt wird. Nun geht es darum, leistungsstarke Quantenrechner zu bauen. Die Forscherteams hinter „Helmholtz-Quantum“ wollen das in Deutschland tun und auch entsprechende Software entwickeln.

Aber nicht nur das. Die Effekte der Quantenphysik sind sehr vielseitig. Sie können viele technische Durchbrüche ermöglichen. Derzeit entsteht ein ganzer Technikzweig, die „Quantentechnologie“. Dazu gehören Sensoren mit bislang unerreichter Genauigkeit oder ein Netzwerk für abhörsichere Kommunikation, das einmal Teil eines weltweiten Quanten-Internet werden soll. Auch die Bundesregierung betrachtet die Quantentechnologie als entscheidend für den Forschungsstandort Deutschland und fördert sie bis 2025 mit zwei Milliarden Euro.

Der Quantenrechner gedeiht nur in einem Ökosystem

Helmholtz-Quantum sieht sich als Akteur und Anlaufstelle bei der Entwicklung von Quantentechnologien, von der Grundlagen- bis zur anwendungsnahen Forschung, beispielsweise neue Verfahren für die medizinische Bildgebung oder präzisere Navigationsgeräte. „Es ist schließlich der Markenkern der Helmholtz-Gemeinschaft eine zentrale Infrastruktur für die Forschung zu bieten“, sagt Frank Wilhelm-Mauch vom Forschungszentrum Jülich. So soll der erste Quantencomputer des Landes interessierten Forschern aus Wissenschaft und Wirtschaft offenstehen. Denn um einen leistungsstarken Quantencomputer zu bauen, braucht man nicht nur exzellente Forscher, sondern auch Ingenieure und Nutzer, die Anwendungsideen ausprobieren. „Man muss groß denken“, sagt Ferdinand Schmidt-Kaler vom Helmholtz-Institut Mainz.

Rund 500 Forschern an mehreren Helmholtz-Zentren forschen bereits an vielen Aspekten der Quantentechnologie. Dabei betreten sie Neuland. Denn die Quantentechnologien brauchen neue Materialien, um die faszinierenden Quanteneffekte nutzbar zu machen. Zum Beispiel beim Quantencomputer, dem Aushängeschild der Quantentechnologien. Statt mit klassischen Bits, die die Werte 0 oder 1 jeweils nur nacheinander annehmen können, arbeitet er mit „Qubits“, die mit beiden Zahlen simultan arbeiten. Noch ist offen, welche Art von Qubits ein praxisrelevanter Quantencomputer haben wird. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT)etwa entwickelt Qubits aus einzelnen Molekülen. Auch aus Halbleitern lassen sich Qubits konstruieren, was für die Massenfertigung vorteilhaft sein könnte. Das Helmholtz-Zentrum in Dresden-Rossendorf (HZDR) arbeitet an solchen Qubits, die sich auch als Sensoren eignen.

Ein Quantenrechner benötigt auch eine spezielle Software, wie sie etwa am Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing (JUNIQ) entwickelt wird. Das JUNIQ bietet deutschen und europäischen Forschenden aus Wissenschaft und Industrie schon heute Zugriff auf einfache Quantencomputer-Prototypen.

Qubits können aber nicht nur rechnen, sondern auch Daten abhörsicher übermitteln, denn sie lassen sich nicht unbemerkt auslesen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) will diese „Quantenkryptographie“ über weite Strecken verfügbar machen und erforscht etwa den Austausch von Qubits zwischen Boden und Flugzeugen oder Satelliten.

Eine zentrale Rolle für Helmholtz-Quantum

„Wir haben Quantenenthusiasten in allen Bereichen“, fasst Ferdinand-Schmidt-Kaler die umfassende Kompetenz der Helmholtz-Gemeinschaft zusammen. Helmholtz Quantum soll dieses Potenzial nun bündeln und sichtbar machen.

Denn zur Mission der Helmholtz-Gemeinschaft gehört es, in die Gesellschaft hineinzuwirken und bei den großen Herausforderungen unserer Zeit mit anzupacken. Die Quantentechnologie erfordert so eine gemeinschaftliche Anstrengung. „Wir sind in Deutschland derzeit zwar gut darin, einzelne Komponenten für die Quantentechnologie zu bauen“, sagt Wilhelm-Mauch. Es fehle jedoch ein „Systemintegrator“, also eine Institution, bei der die Fäden zusammenlaufen.

In Deutschland könnte Helmholtz-Quantum diese Rolle einnehmen und den Austausch zwischen Wirtschaft, Politik und Gesellschaft ermöglichen. „Wir wollen alle, dass es in der Quantentechnologie effektiv vorangeht“, sagt Thomas Strohm von der Firma Bosch, die an Quantencomputern und Quantensensoren forscht. „Deshalb müssen wir uns abstimmen“, fügt der Physiker hinzu. Auch intern schließt Helmholtz-Quantum die Lücke zwischen den Grundlagen und der Anwendung: Im neuen Helmholtz Quantum Center in Jülich arbeiten Forscher von neuen Quantenmaterialien bis hin zu kompletten Quantencomputersystemen.

Dabei halten die Experten von Helmholtz-Quantum stets den Draht zur Welt der Quantentechnologie. Sie sind national und international exzellent vernetzt. So hat Tommaso Calarco an der Roadmap Quantencomputing der deutschen Bundesregierung mitgearbeitet und war eine treibende Kraft hinter dem „Quanten Flaggschiff“ der Europäischen Union, einem großen und langfristigen Forschungsprojekt zur Quantentechnologie. Die Forscher von Helmholtz-Quantum kooperieren in Projekten mit Wissenschaftlern an Universitäten und Forschungseinrichtungen in aller Welt.

Die Forscher weisen den Weg

Trotz der übergreifenden Zielsetzung bleibt die Vielfalt, Flexibilität und Offenheit der Quantenforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft erhalten. Die Strategie komme aus der Forschergemeinschaft, sagt Calarco. „Die Antennen bleiben auch weiter auf Empfang“, versichert der Physiker. So gebe es an jedem der beteiligten Helmholtz-Zentren Personen, an die sich Forscher mit ihren Ideen wenden könnten.

Die Strategie ist auf einen baldigen, sichtbaren Erfolg ausgerichtet. Der nächste große Meilenstein, der weltweit Aufsehen erregen würde, wäre die Demonstration eines „Quanten-Vorteils“: Wenn ein Quantenrechner erstmals eine praxisrelevante Aufgabe schneller löst als jeder klassische Rechner. Dass Forscher der Helmholtz-Gemeinschaft hier wesentlich beitragen können, haben sie schon bewiesen: Sie waren an Googles Demonstration der so genannten „Quantenüberlegenheit“ beteiligt. Im Jahr 2019 löste ein Quantenchip der Tech-Firma erstmals eine Aufgabe sehr viel schneller als es selbst der schnellste Supercomputer der Welt gekonnt hätte. Allerdings handelte es sich dabei um ein rein akademisches Problem ohne anwendbaren Nutzen. Doch der Erfolg beflügelt Forscher weltweit, ein praktisch nutzbares Ergebnis per Quantenrechner schneller zu erzielen als sonst möglich. Ein Favorit dafür ist die Simulation komplexer chemischer Reaktionen, wie sie etwa in E-Auto-Batterien stattfinden. Aus so einer Simulation könnte ein neues Material für eine Batterie mit höherer Speicherfähigkeit resultieren. Der erste deutsche Quantencomputer hat in diesem Rennen gute Chancen. „Wir wollen den Quantenvorteil bis 2026 erreichen“, sagt Frank Wilhelm-Mauch. Er klingt dabei erfolgsgewiss.

Im Bereich der Quantentechnologieforschung ist Helmholtz ein nationaler und europäischer Treiber und wissenschaftlich-technischer Wegbereiter. Gemeinsam mit Partnern an Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Industrie will die Gemeinschaft die Entwicklung der Quantentechnologien von der Grundlagenforschung über die Systementwicklung bis hin zur Anwendung vorantreiben.

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