Quantencomputer: Es gibt ihn noch nicht, aber seine Pioniere haben schon den Nobelpreis

Google ist eins der mächtigsten Wirtschaftsunternehmen der Gegenwart. Seine Suchmaschine hat einen Marktanteil von mehr als 90 Prozent, das Betriebssystem Android ist auf 70 Prozent aller Smartphones weltweit installiert, über die Videoplattform Youtube verfügt die Firma potentiell über mehr kulturellen Einfluss als die meisten Medienkonzerne. Und beinahe hätte sich eine Googles-Forschungsabteilung auch noch eines Physik-Nobelpreisträgers rühmen können.

Doch John Martinis, der im vergangenen Jahr den Nobelpreis erhielt, hat Google 2020 verlassen. Im Jahr davor allerdings hatte der aus Los Angeles stammende Sohn kroatischer Einwanderer für erhebliche Aufmerksamkeit gesorgt. Da stellte seine Gruppe den Computerchip „Sycamore“ vor. Der verfügte zwar über gerade mal 53 informationstragende Einheiten, doch keine Bits, die also entweder als 0 oder als 1 auftreten, sondern sehr viel mächtigere Qubits: Sycamore war das Herz eines experimentellen Quantencomputers, des ersten, der im Stande war, eine – wenn auch in der Praxis irrelevante – Rechenaufgabe in drei Minuten zu lösen, für die ein konventioneller Supercomputer zehntausend Jahre gebraucht hätte.

Quantencomputer sind das nächste große Ding – oder waren es zumindest, bis sich 2022 die Künstliche Intelligenz im Rampenlicht vordrängelte. Aber auch aus der zweiten Reihe beflügelt die Quanteninformatik die Phantasie von Börsenanalysten, Technikoptimisten oder Schwarzsehern. Und John Martinis ist sicherlich einer der Pioniere der Quantenhardware-Entwicklung.

Doch dafür hat er den Nobelpreis nicht bekommen. Den brachte ihm vielmehr ein Experiment ein, mit dem er einst seine Doktorarbeit bei John Clarke an der University of California in Berkeley bestritt. Veröffentlicht wurde es 1985 in zwei Fachartikeln für die Physical Review Letters, von denen einer John Martinis als Erstautor vermerkt, der andere den Franzosen Michel Devoret, damals Postdoktorand bei Clarke. Devoret und Clarke bekamen 2025 zusammen mit Martinis den Nobelpreis.

Quantencomputer gab es 1985 nur als kühne Idee. Vier Jahre zuvor hatte Richard Feynman, Nobelpreisträger von 1965, in einem Vortrag auf eine grundlegende Unzulänglichkeit konventioneller Digitalrechner hingewiesen: „Die Natur verhält sich nicht klassisch, verdammt nochmal“, so Feynman mit dem ihm eigenen Temperament. „Und wenn Sie die Natur simulieren, dann machen Sie das besser quantenmechanisch – und das ist bei Gott ein wunderbares Problem, denn es sieht gar nicht so einfach aus.“

Doch mit Quantencomputern im eigentlichen Sinne – dem algorithmischen Rechnen mit Qubits statt mit Bits – widmete sich Feynman erst 1985 in einem grundlegenden Artikel, und im selben Jahr sprach er darüber unter anderem auf einer Tagung an der University of California in Santa Barbara, die auch Martinis besuchte. Der hatte er seine Experimente mit Clarke und Devoret zu diesem Zeitpunkt allerdings bereits abgeschlossen. Auch konnte der junge Experimentalphysiker dem berühmten Theoretiker nur teilweise folgen. „Wir lassen offen, ob wir das effizienteste System haben oder wie wir es am besten implementieren“, hatte Feynman in seinem Artikel erklärt, in dem das Wort „Qubit“ selbst noch gar nicht vorkommt, wohl aber die Idee dahinter.

Tatsächlich hatten Martinis und seine Kollegen sich damit beschäftigt, wie sich ein Qubit technisch realisieren lässt. Es war damals durchaus die Frage, ob das überhaupt möglich ist. Die Quantenphysik war im frühen 19. Jahrhundert als eine Theorie des mikroskopisch Kleinen entwickelt worden, eigentlich sogar des submikroskopisch Kleinen: Moleküle, Atome oder deren Bestandteile. Bis heute stellt sie die Physiker und Naturphilosophen aber vor große Rätsel, und Anfang der Achtzigerjahre war zudem unklar, ob sie nicht ausschließlich in der Mikrophysik gilt.

Das war die Motivation für das Experiment von John Clarke und seiner Arbeitsgruppe. „Der Zweck war herauszufinden, ob kollektive Variablen wie elektrische Ströme oder Spannungen in Schaltkreisen der Quantenmechanik gehorchen“, erzählt Michel Devoret in seinem Vortrag auf dem diesjährigen Nobelpreisträgertreffen Lindau. Die Idee ging dabei zurück auf den Briten  Antony Leggett. Der sollte 2003 den Nobelpreis für Arbeiten über kollektive Materiezustände erhalten, wie sie etwa Helium bei extrem tiefen Temperaturen annimmt. Da wird es supraflüssig und verliert jede innere Reibung. Analog gibt es das Phänomen der Supraleitung, hier fließen Elektronen in einem leitfähigen Material plötzlich ohne Widerstand.

Leggett hatte sich gefragt, ob ein Schwingkreis aus supraleitendem Material nicht quantenmechanisch schwingen, die Schwingungen also diskrete Energieniveaus aufweisen müssten – genau wie die Elektronen in der Hülle eines Atoms. „Dort wären die Abstände zwischen den Niveaus aber nicht durch Naturkonstanten vorgegeben, wie im Atom, sondern durch die Parameter des Schwingkreises, die man verändern kann, etwa durch das Design der Geometrie des Schaltkreises“, erklärt Devoret. „Es ist also ein künstliches, ingenieurtechnisch kontrollierbares Quantensystem.“

Um ein solches „künstliches Atom“ zu realisieren, taugt ein gewöhnlicher Schwingkreis aus Kondensator und Spule in Parallelschaltung allerdings nicht. Denn der schwingt als sogenannter harmonischer Oszillator, und in der Quantenversion hätten die verschiedenen Energieniveaus alle den gleichen Abstand voneinander, während sie in einem Atom mit steigender Energie immer weiter zusammenrücken, weswegen hier gezielte Übergänge zwischen einem Grundzustand und einem ersten angeregten Zustand möglich sind, ohne höhere Niveaus zu beteiligen. Um etwas Ähnliches wie in einem echten Atom zu erreichen, muss man in den Schwingkreis ein Bauelement einfügen, das die Lage der Energieniveaus geeignet verschiebt.

In supraleitenden Schaltkreisen bietet sich hier ein sogenannter Josephson-Kontakt an, bei dem eine dünne Isolatorschicht zwei supraleitende Zonen trennt. Diese wirken zum einen als Kondensator, zum anderen wie eine dazu parallele Spule, aber mit dem gewünschten, die Energieniveaus verschiebenden Verhalten. Dies war der Versuchsaufbau, mit dem Clarke, Devoret und Martinis ihre Experimente durchführten und dabei die von Leggett vermutete Energiequantisierung nachweisen konnten.

Beim Anlegen einer Gleichspannung zeigte der Aufbau aber noch ein anderes, typisch quantenmechanisches Verhalten: Die aufgrund der Supraleitung kollektiv strömenden Leitungselektronen überwanden die Josephson-Schicht noch bei Temperaturen, die so niedrig waren, dass die Wärmebewegungen nicht mehr ausreichten, um sie durch die Barriere zu kicken. Sie zeigten den sogenannten Tunneleffekt, der nach den Gesetzen der klassischen Physik völlig unmöglich ist. Das Entscheidende: Dies war hier nicht das Verhalten einzelner Quantenteilchen, sondern eines Kollektivs aus Milliarden von Elektronen. „Hier ist es der gesamte Zustand des Systems, der tunnelt“, sagt Devoret. „Quantenmechanik ist eben nicht nur eine Theorie des Kleinen.“

Damit war aus reinem Grundlageninteresse heraus das künstliche Analogon eines Atoms realisiert, dessen praktisches Potential erst später deutlich wurde. Aufwind bekam das Thema Quantencomputer, als der Mathematiker Peter Shor 1994 einen Algorithmus fand, mit dem Qubit-verarbeitende Computer große Zahlen sehr rasch in ihre Primfaktoren zerlegen konnten.  Für herkömmliche Computer ist das derart aufwendig, dass auf genau diesem Aufwand die Verschlüsselungssysteme beruhen, die bis vor Kurzem die meisten Internetverbindungen sicherten und die im Bereich der Kryptowährungen noch immer gang und gäbe sind.

Was solchermaßen verschlüsselte Daten und Signalwege bislang vor dem Geknacktwerden durch Quantencomputer bewahrt, das ist unter anderem die Schwierigkeit, Qubits technisch so zu realisieren, dass sie ihre  Quantenhaftigkeit ausreichend lange bewahren. Versucht wird das auf verschiedenen Systemen, darunter auch mit natürlichen Atomen, die entweder als Ionen in elektromagnetischen Feldern festgehalten werden oder als neutrale Atome in Gittern aus Laserlicht. Am intensivsten aber werden die künstlichen Atome aus supraleitenden Schaltkreisen untersucht. Nicht nur bei Google, auch bei IBM und Amazon fließen heute Milliardensummen in diese Forschung.

Gegenüber den Ansätzen mit natürlichen Atomen haben die künstlichen aus supraleitenden Schaltkreisen bestimmte Vorteile. „So einen Schaltkreis kann man verdrahten“, erklärt Michel Devoret. „Damit kann man zum Beispiel zwei Schaltkreise verbinden, sodass sie miteinander reden.“ Außerdem ließen sie sich mit bekannten Verfahren der Chipfertigung herstellen. John Martinis hat nach seinem Ausscheiden bei Google ein Start-up namens Qolab gegründet, das sich besonders um diesen Aspekt des Weges zu einem kommerziellen Quantencomputer kümmert.

Noch gibt es den nicht. Das Hauptproblem ist eines der Skalierung. Die Leistungsfähigkeit eines konventionellen Supercomputers lässt sich steigern, indem man immer mehr Prozessoren dazuschaltet. Demgegenüber ist die Vermehrung der Qubits eines Quantencomputers viel schwieriger, insbesondere steigt die Anfälligkeit für Störungen der Quantenzustände, mit denen man rechnen möchte, und dadurch verursachte Fehler erfordern dann oft noch mehr Qubits zu deren Korrektur.

Trotzdem: Schon haben Banken und Firmen neue Verschlüsselungsverfahren ersonnen und implementiert, die auch mit einem funktionierenden Quantencomputer nicht zu brechen wären. Schon jetzt wird viel Geld ausgegeben, um sich für den Q-Day zu rüsten, den Tag, an dem der erste Quantenrechner online geht. Denn Codeknacken dürfte eben das erste Anwendungsfeld der neuen Technik werden – und nicht die Entwicklung neuer Medikamente gegen Krebs oder Alzheimer. Das Bewusstsein davon sorgte in Lindau auf einer Podiumsdiskussion zum Thema trotz der Aufbruchsstimmung, die insbesondere John Martinis ausstrahlte, für eine gewisse Ambivalenz. „Als wir 1994 anfingen, an Quanteninformationsverarbeitung mittels gefangener Ionen zu forschen“, so der Innsbrucker Physiker Rainer Blatt, „da freuten wir uns, wenn wir ein einziges Qubit kontrollieren konnten – und jetzt diskutieren wir mögliche Auswirkungen des Quantencomputing auf die Gesellschaft“.

Die sind derzeit aber sicher noch weniger absehbar als im Fall der Künstlichen Intelligenz, auch wenn weder Martinis noch Devoret daran glauben, Quantenrechner könnten einmal in einer Weise zu Alltagsutensilien werden wie die konventionellen Digitalrechner. „Ich stelle mir einen Quantencomputer eher als eine Art Ko-Prozessor für einen konventionellen Supercomputer vor“, sagte Martinis. William D. Philipps, Nobelpreisträger des Jahres 1997, wäre da vorsichtiger: „Ich habe es noch erlebt, wie CEOs großer Unternehmen Sätze gesagt haben wie ‚Computer in den Privatwohnungen wird es nie geben‘. Diese Firmen gibt es heute nicht mehr.“

Die ebenfalls an diesem Podium teilnehmende Nachwuchswissenschaftlerin Victoria Sánchez Muñoz aus Brüssel wies schließlich auf eine interessante, außerhalb ihrer Fachkreise wohl erste wenig beachtete „Frühwirkung“ der kommenden Quantencomputer hin, die selbst dann wirksam bleiben wird, wenn sie dann doch ausbleiben.  So sei 2016 ein Quantenalgorithmus gefunden worden, der eine effiziente Berechnung des sogenannten Empfehlungsproblems ermöglichen würde. Zwei Jahre später bekam ein 18 Jahre alter Student von seinem Professor die Aufgabe zu beweisen, dass es keinen effizienteren klassischen Algorithmus gibt – und fand einen, der fast so gut war wie der für den Quantencomputer. „Das Nette ist, er war inspiriert von dem Quantenalgorithmus“, sagt Muñoz. Die noch gar nicht realexistente Quantencomputerei hatte das klassische Rechnen ein Stück vorangebracht.