„Wir wollen einen fehlerarmen Quantencomputer mit exzellenten Leistungsdaten entwickeln.“

Herr Wilhelm-Mauch, was fasziniert Sie am Quantencomputer?

Mich fasziniert die enorme Bandbreite des Themas, das von den Grundlagen der Quantenphysik bis zur Entwicklung konkreter Technologien reicht. Besonders spannend finde ich es, verschiedene Anwendungsfelder zu verbinden, von neuartigen Steckverbindungen für Mikrowellentechnik bis hin zu supraleitenden Bauelementen für sehr niedrige Temperaturen. Der Bau von Quantencomputern liefert zudem neue Einblicke in die Quantenphysik, etwa in das sogenannte Messproblem: Es ist klassisch nicht fassbar, was bei einer Messung eines Teilchens genau passiert. Die Theorie besagt, dass der Zustand des Teilchens dabei zerstört wird. Beim Bau von Quantencomputern lässt sich untersuchen, wie sich das genau auswirkt. Man könnte sagen, wir Quantencomputer-Forscher sind eine Mischung aus Philosoph und Automechaniker.

Wollten Sie von vorneherein in dieses spannende Forschungsgebiet?

Nicht direkt. Ich kam durch eine Sinnkrise dazu. Ursprünglich promovierte ich zur mikroskopischen Modellierung von Josephson-Kontakten, Bauelementen, die in supraleitenden Quantencomputern ähnlich wie Transistoren in klassischen Computern funktionieren. Damals ging es in meiner Forschung jedoch noch nicht um Quantencomputer, und ich sah keine langfristige Perspektive darin, weshalb ich mich neu orientieren wollte. Als ich von Quantencomputern hörte, war ich sofort fasziniert. 1999 ergab sich die Gelegenheit, bei Hans Mooij in Delft als Postdoc zu arbeiten, und ich konnte an einem neuen Typ supraleitender Qubits forschen. Qubits sind die fundamentalen Elemente eines Quantencomputers, ähnlich wie Bits in klassischen Rechnern. Seitdem lässt mich das Thema Quantencomputing nicht mehr los.

Dann haben Sie ja die Anfangsjahre der Quantencomputer-Entwicklung mitbekommen?

Ja, damals steckte das Feld noch in den Kinderschuhen. Es war unklar, ob Quantencomputing nur eine Modeerscheinung oder ein langfristiges Forschungsgebiet wird. Es gab zwar schon theoretische Grundlagen aus der Informatik, aber experimentell war alles noch sehr neu. Ich erinnere mich, dass ich damals bei dem wichtigen March-Meeting der American Physical Society einen von nur zwei Vorträgen über supraleitende Quantencomputer gehalten habe. Dieses Jahr liefen jeweils vier oder fünf Vorträge parallel zu diesem Thema. Das zeigt, wie viel sich inzwischen getan hat.

Es gibt doch aber nicht nur supraleitenden Qubits. Man kann Qubits auch mit neutralen Atomen, Ionen oder Lichtteilchen darstellen. Oder denken Sie, dass die supraleitenden Qubits das Rennen gemacht haben?

Nein, das ist noch völlig offen. Supraleitende Qubits sind aber in einer guten Position, weil ihre Leistungsfähigkeit durch ingenieurstechnische Verbesserungen immer weiter gesteigert werden kann, ohne dass bahnbrechende neue Entdeckungen nötig sind. Wir wissen, was zu tun ist, und es ist kein Showstopper in Sicht. Aber auch bei den anderen Plattformen gibt es rasante Fortschritte, derzeit insbesondere bei den Neutralatomen.

Im Projekt QSolid wollen Sie einen supraleitenden Quantencomputer bauen. Wie soll der konkret aussehen?

Wir wollen einen fehlerarmen Quantencomputer mit exzellenten Leistungsdaten entwickeln. Ziel ist ein System mit bis zu 30 Qubits, das in bestehende Rechnerinfrastrukturen des Forschungszentrums Jülich integriert werden kann. Ein weiteres Ziel ist, die gesamte Lieferkette möglichst in Deutschland zu etablieren, um einerseits unabhängiger zu sein und andererseits die Quantencomputing-Kompetenz in Deutschland zu stärken. Das Projekt umfasst zahlreiche, teils sehr spezialisierte Partner, die die verschiedenen ingenieurtechnischen Herausforderungen bewältigen sollen.

Können Sie ein Beispiel nennen?

Ein anschauliches Beispiel ist die Firma Rosenberger aus dem Kreis Traunstein. Ein Hidden Champion. Die entwickeln kompakte und wartungsfreundliche Stecker und Verbindungslösungen für Hochfrequenzsignale – eine wichtige Innovation, die supraleitende Quantencomputer praxistauglicher macht.

Ist die Koordinierung der vielen Partner die wichtigste Herausforderung?

Der weitaus größte Partner ist das Forschungszentrum Jülich selbst, aber die Koordination ist nicht zu vernachlässigen. Wir gehen mit einem ähnlichen Mindset heran, wie an die Entwicklung wissenschaftlicher Großgeräte, etwa einen Teilchenbeschleuniger. Wir sehen uns also das System als Ganzes an. Es ist uns sehr wichtig, das System-Engineering professionell anzugehen. Dafür beschäftigen wir jemand mit viel Erfahrung in der Raumfahrtindustrie.

In der Raumfahrtindustrie? Warum das denn?

Raumfahrtingenieure sind in der Welt des System-Engineerings die Leute, die man nimmt, wenn es in einer Technologie-Entwicklung noch sehr viele Unbekannte gibt. Und das ist beim Quantencomputer der Fall. Sie können damit umgehen, dass man das einmal gebaute System nicht mehr zurückholen kann. Das ist auch für uns interessant.

Da Sie Unsicherheiten in der Quantencomputer-Forschung erwähnen. Eine davon ist die Frage, wie man mit der Fehleranfälligkeit dieser neuen Art Computer umgehen soll. Google, das auch an supraleitenden Qubits forscht, meldete vor Kurzem einen Durchbruch bei der Fehlerkorrektur, nicht die erste Schlagzeile, die Google mit seinen Quantencomputern machte. Wie wollen Sie da aufholen?

Unser Ansatz unterscheidet sich bisher von dem von Google, wo Fehler nicht nur durch gute Hardware vermieden, sondern durch Software aktiv korrigiert wird. Wir konzentrieren uns auf Hardware mit besonders geringen Fehlerraten. Die Idee ist, dass man innerhalb der Zeit, in der keine Fehler auftreten, möglichst viele Rechenoperationen ausführen kann. Fehlerarme Qubits wollen wir zum Beispiel durch optimierte Materialien erreichen.

Um welche Optimierungen handelt es sich da?

Wir sehen uns zum Beispiel an, wie man die Herstellung von Aluminium-Nanostrukturen in supraleitenden Qubits verbessern kann. Reineres Aluminium könnte zu stabileren Qubits führen. Wir sehen uns auch neue Materialien für die Qubit-Herstellung an, zum Beispiel Tantal.

Wie weit ist das Projekt?

Wir haben bereits einen funktionierenden 10-Qubit-Demonstrator entwickelt und wollen das System bis Ende 2026 auf 30 Qubits erweitern. Parallel dazu integrieren wir es in die Supercomputing-Infrastruktur des Forschungszentrums Jülich, sodass auch Leute von außen darauf zugreifen können.

Der Quantencomputer soll für Forschende nutzbar sein, die einen entsprechenden Antrag stellen. Ist schon absehbar, was damit gerechnet werden kann?

Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungen in der Chemie, Materialforschung und Medizintechnik – Bereiche, in denen klassische Computer an ihre Grenzen stoßen.

Können Sie ein konkretes Beispiel nennen?

Gerne. Wir wollen eine neue Methode zur Simulation bestimmter exotischer Materialien wie Hochtemperatur-Supraleiter testen.

Also Supraleiter, die man bei weitem nicht so stark abkühlen muss wie herkömmliche Supraleiter, und die für die Alltagstechnik interessant wären, etwa verlustfreie Stromleitungen.

Genau. Diese neue Methode eignet sich besonders für kleine, aber fehlerarme Quantencomputer, wie wir ihn bauen wollen. Wir sind optimistisch, dass das gelingt.

Quantentechnologie

Projekt QSolid