Physik Journal 11 / 2023

Alan Turing schrieb Weltgeschichte als der erste Forscher, dem es gelang, mit „Turochamp“ ein Computerprogramm für Schach zu schreiben und gleichzeitig die Grundlagen der künstlichen Intelligenz zu schaffen. Sein Team war es auch, das die Enigma-Verschlüsselungsmaschine der Nationalsozialisten im zweiten Weltkrieg knackte, mit den bekannten, erheblichen Konsequenzen. Für die Informatik war Turing, nach dem heute das Nobelpreis-Äquivalent für Informatik benannt ist, eine wissenschaftliche Lichtgestalt als jener, der die Grund­lagen für moderne Computer legte: Die A-Maschine, wie er sie nannte, war ein mit Papier und Bleistift konzipierter, einfachst möglicher Computer, der dennoch beliebige rechnerische Aufgaben bewältigen konnte. Diese Turing-Maschine war weniger eine echte Rechenmaschine, sondern eher ein paradigmatisches Gedankenmodell eines Computers: Sie umfasst einen verschiebbaren Schreib- und Lesekopf, ein Programm und ­einen Speicher, der durch ein Band repräsentiert wird. Auch wenn dieses Modell einfach anmuten sollte: Das Rechnermodell selbst der modernsten klassischen Superrechner lässt sich auf solche Turing-Maschinen zurückführen. (...)

Quanteneffekte in nutzbaren Geräten sind schon gang und gäbe, z. B. in Transistoren, Lasern oder Kernspintomographen. Allerdings sind dies Effekte von Ensembles vieler Quantensysteme, etwa aller Elektronen, welche die Bandstrukturlandschaft des Transistors durchlaufen. Die Spannung an den Klemmen des Transistors ist weiterhin eine klassische Variable. In Quantentechnologien der zweiten Generation wie dem Quantencomputer werden auch einzelne Quantensysteme technisch angesprochen und der Informationsaustauch ist ebenfalls quantenphysikalisch.
Die Entwicklung und der Bau solcher Quantengeräte finden in verschiedenen Plattformen statt, wie die Artikel von Stefan Filipp und Gian Salis beziehungsweise von Wolfram Pernice und Co-Autoren in diesem Heft zeigen. Hier geht es darum, Gemeinsamkeiten im Verständnis der Physik dieser Plattformen zu diskutieren. Ausgangspunkt sollen diejenigen Kriterien sein, die David DiVincenzo um die Jahrtausendwende als Leitfaden für potenzielle Quantencomputingplattformen formulierte [1]. Sie sind bewusst unquantitativ gehalten, da sich die quantitativen Kriterien mit dem wissenschaftlichen Fortschritt verschoben haben. Sie stellen folgende Anforderungen an eine Plattform für einen Quantencomputer: (...)

Die Idee des Quantencomputings geht auf Richard Feynman zurück, der im Mai 1981 einen Computer ganz anderer Art vorschlug. Sein Argument war einfach: Es ist schwierig, Vielkörper-Quantenprobleme mit klassischen Rechenverfahren zu lösen, weil die Rechenzeit exponentiell mit der Systemgröße steigt. Stattdessen hielt er die Entwicklung eines Quantencomputers für die natürliche Wahl, nicht ohne bei vielen Kollegen, die mit dem Konzept von Dekohärenz und der Empfindlichkeit von Quantenzuständen vertraut waren, Skepsis hervorzurufen. Die Idee gewann erst an Popularität, als der britische Physiker David Deutsch erkannte, dass Quantencomputer auch klassische Probleme poten­ziell viel schneller lösen könnten als herkömmliche Rechner.  
Parallele Entwicklungen zu Frequenzstandards und Spektroskopie führten zu technologischem Fortschritt bei Ionenfallen [1]. Diese lieferten den Startschuss für die experimentelle Realisierung von Quantencomputern. Seit Ende des 20. Jahrhunderts gibt es viele unterschiedliche Ansätze, um einen vollwertigen Quantencomputer zu realisieren. Neben Ionenfallen sind insbesondere supraleitende elektrische Schaltkreise vielversprechend. (...)

Qubits basierend auf supraleitenden Quantenschaltkreisen gelten derzeit als eine der am weitesten entwickelten Technologien für den Bau eines Quantencomputers. Durch die geeignete Anordnung von Josephson-Kontakten und supraleitenden Elektroden entstehen nicht-lineare Schwingkreise mit einer typischen Resonanzfrequenz im Mikrowellenbereich. Der Josephson-Kontakt, den eine dünne normalleitende Schicht als Tunnelbarriere zwischen zwei Supraleitern erzeugt (Abb. 1), sorgt dabei dank seiner nichtlinearen Induktivität für ungleichmäßige Abstände der Energieniveaus des Schwingkreises. Somit lassen sich die beiden niedrigsten Energieniveaus durch Mikrowellenpulse adressieren, ohne dabei weitere Übergänge zu treiben. Dadurch entsteht ein Zwei-Niveau System mit dem Grundzustand |0〉 und dem angeregten Zustand |1〉: ein Qubit, das als Grundbaustein eines Quantencomputers dienen kann (Abb. 2). (...)

Computer werden jedes Jahr leistungsstärker: Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich seit den 1970er-Jahren die Anzahl der Transistoren auf einem Prozessor ungefähr alle zwei Jahre. Weil damit eine exponentielle Verkleinerung der einzelnen Bausteine einhergeht, zeigen sich mittlerweile quantenmechanische Effekte. Die grundlegende Idee von Quantencomputern ist es, solche Quanteneffekte nicht wie beim modernen Chipdesign zu minimieren, sondern diese kontrolliert einzusetzen, um konzeptuell neue Rechenschemata zu ermöglichen.
Schon in den 1980er-Jahren brachte Richard P. Feynman erstmals die visionäre Idee auf, mikroskopisch kleine Systeme wie einzelne Moleküle mit quantenmechanischen Chips anstelle von klassischen Computern zu simulieren [1]. Konkrete effiziente Algorithmen für solche Quantenchips waren jedoch zu dieser Zeit noch nicht bekannt. Rund zehn Jahre später hat Peter W. Shor einen Quantenalgorithmus für ein anderes Problem präsentiert: die Primfaktorzerlegung. Der Shor-Algorithmus zeigte erstmals einen klaren komplexitätstheoretischen Quantenvorteil gegenüber den besten bekannten Algorithmen für klassische Computer [2]. (...)

Ein Compiler für konventionelle Computer übersetzt einen Quellcode aus einer Programmiersprache, die ein Mensch schreiben und lesen kann, schrittweise in binär kodierte Maschinenbefehle. Diese liest der Prozessor iterativ aus seinem Speicher und führt sie aus; der Speicher enthält gleichzeitig die zu verarbeitenden Daten und die auszuführenden Befehle. Über Jahrzehnte haben sich Techniken etabliert, um solche Compiler zu bauen. Im noch jungen Feld der Quantencomputer stellen sich neue Herausforderungen: Die Daten als Quantenzustand und der Programmspeicher liegen räumlich und organisatorisch getrennt vor. Der Quelltext und die resultierenden Maschinenbefehle unterscheiden sich semantisch viel mehr als in einem konventionellen Computer: Der Quantencomputer wird nicht direkt programmiert, sondern mittels eines digi­talen Computers, der Qubits über analoge Signale ansteuert. Dieser Artikel beschreibt die Reise eines Programms durch einen Quantencompiler bis zur Ausführung auf einem System auf Basis supraleitender Qubits. (...)

Die frühere Bundeskanzlerin Angela Merkel hatte einen entscheidenden Anteil daran, dass der Quantencomputer nun auf deutschem Boden steht: Im Januar 2019 traf sie auf dem Weltwirtschaftsforum in Davos die damalige IBM-Chefin Virginia Rometty und befragte sie zum Stand des Quantencomputings und seinen Einsatzmöglichkeiten. Mit der Fraunhofer-Gesellschaft fand sich noch im gleichen Jahr ein Partner, der Forschungseinrichtungen und Unternehmen den Zugang zum Quantencomputer zur Verfügung stellt. Beim nächsten Treffen zwischen Merkel und Rometty im Berliner Kanzleramt im September des gleichen Jahres war schon alles unter Dach und Fach: Kurz zuvor hatten IBM und die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Zusammenarbeit beim Quantencomputing verkündet.
Doch bis zur offiziellen Einweihung war es noch ein holpriger Weg. Als die IBM-Mitarbeitenden vom Standort Ehningen im März 2020 in die USA fliegen wollten, um sich das dortige System anzuschauen und von den Kolleginnen und Kollegen vor Ort mehr über den Aufbau und Betrieb eines solchen Systems zu lernen, kam ihnen die Corona-Pandemie in die Quere: „Unsere Flüge waren schon gebucht, aber dann wurden sämtliche Reisen gestrichen“, erinnert sich Sven Peyer, der als Manager für die Quantum-Hardware-Entwicklung bei IBM in Böblingen tätig ist und mit seinem Team am Aufbau des Systems in Ehningen beteiligt war. Stattdessen haben die Teams in Deutschland sich alles remote zeigen lassen müssen. (...)

Seit wann ist Quantencomputing ein Thema bei IBM?

Mit Quantencomputing beschäftigen wir uns seit den 1980er-Jahren, als Richard Feynman seine Idee eines Quantencomputers skizzierte. Charlie Bennet und Rolf Landauer arbeiteten ab den 70ern zur Quanteninformationstheorie, und Mitte der 90er-Jahre veröffentlichte David DiVincenzo, der heutige Direktor des Peter-Grünberg-Instituts am Forschungs­zentrum Jülich, seine grundlegenden Kriterien für die Realisierung eines Quantencomputers.

Die Entwicklung eines Quantencomputers braucht also einen langen Atem.

Wir hatten stets exzellente Persönlichkeiten im Team, die die Forschung in Theorie und Praxis konsequent voran­getrieben und von einem guten Umfeld mit hervorragender Infrastruktur profitiert haben.

Welche Meilensteine gab es?

Es gab viele. Ein wichtiger war 2016 der Quantenprozessor in der Cloud. Seitdem ist die Entwicklung auf allen Ebenen rasant vorangeschritten – mit Verbesserungen in der Qubit- und Quantenprozessortechnologie, der Steuerelektronik, der Software und den Algorithmen sowie Verfeinerungen der Anwendungen, die sich mit relevanten Problemen in Wissenschaft und Wirtschaft befassen. Ein Meilenstein war auch die Entdeckung der Fehlermitigation 2017. (...)

Einige wenige Physikerinnen organisierten zum Austausch untereinander Stammtische. Daraus entstand im Jahr 1997 ein bundesweites Treffen in Berlin, die erste Deutsche Physikerinnen­tagung (DPT). Diese fand außerhalb der bekannten DPG-Tagungen statt, aber der damalige DPG-Präsident Alexander Bradshaw unterstützte die Gründung eines Arbeitskreises für Physikerinnen. So erfolgte die Gründung des Arbeitskreises Chancengleichheit (AKC) auf der zweiten DPT in Hamburg (Abb. 1). Von da an gab es innerhalb der DPG einen Raum für die besondere Situation der Physikerinnen.

Zuvor war für viele Physikerinnen die Mitgliedschaft in der DPG als „Standesorganisation der Physik“ nicht attraktiv. Die DPG war für sie kein „Wohlfühlort“. Nach der Gründung des AKC jedoch standen Physikerinnen Schlange, um in die DPG einzutreten und AKC-Mitglied zu werden. Am Tresen mit den (analogen) Antragsformularen bildete sich eine Traube von Frauen. Es herrschte eine freudige, fast ausgelassene Aufbruchstimmung! Mittlerweile ist der AKC etabliert und feiert in diesem Jahr sein 25-jähriges Bestehen. (...)