Springen Sie direkt zu einem der folgenden Seitenbereiche:
Gehalten am 3. Februar 2005
von Prof. Dr. Gerd Schön
Institut für Theoretische Festkörperphysik der Universität Karlsruhe
Vorsitzender des Fachverbandes "Tiefe Temperaturen" der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
Landesforschungspreis Thüringen 2004 im Bereich Grundlagenforschung
für Dr. Evgeni Il’ichev, Dr. Thomas Wagner, Prof. Miroslav Grajcar und Dipl. phys. Andrei Izmalkov
für ihre Arbeiten über "Qubits für skalierbare Quantenrechner"
Die Wissenschaftler Dr. Evgeni Il’ichev, Dr. Thomas Wagner, Prof. Miroslav Grajcar und Dipl. phys. Andrei Izmalkov vom Institut für Physikalische Hochtechnologie e. V. (IPHT) in Jena, Abteilung Quantenelektronik, sollen heute den Landesforschungspreis Thüringen 2004 im Bereich Grundlagenforschung für ihre Arbeiten zu "Qubits für skalierbare Quantenrechner" verliehen bekommen.
Was sind „Qubits“ und „Quantenrechner“ (und was bedeutet „skalierbar“)? Welche Perspektiven bieten diese Arbeiten? Worin liegt die besondere Leistung? Um die Antworten auf diese Fragen zumindest ein bisschen zu verdeutlichen, will ich etwas ausholen.
Vor ca. 50 Jahren entwickelten die Wissenschaftler Bardeen, Brattain und Shockley bei Bell Laboratories den Transistor. Zunächst war es gar nicht klar, dass der Transistor nützlich sei. Gab es doch eine hoch entwickelte Technologie mit Röhren, ja sogar einige funktionsfähige Computer (z.B. die Zuse), die damit arbeiteten. Zunächst wurde die neue Transistortechnologie belächelt. Aber heute wissen wir, dass die Röhrentechnologie längst verdrängt wurde und ebenso die Firmen, die sich nicht rasch genug auf die neue Technologie eingestellt hatten, während Bardeen, Brattain und Shockley den Nobelpreis für ihre Entdeckung erhielten.
Die heutigen Prozessoren in Computern enthalten ca. 1 Milliarde Transistoren, und die Zahl verdoppelt sich etwa jedes Jahr. Kann dies so unbegrenzt weitergehen? Ein Ende ist abzusehen; denn gleichzeitig werden die Bauelemente immer kleiner. Ein einzelner Transistor in den Prozessoren misst heute schon weniger als 100 Nanometer, und die Längenskalen halbieren sich alle 2-3 Jahre. Wenn dieser Trend weitergeht, werden wir in wenigen Jahren bei Längenskalen ankommen, wo die klassische Elektrotechnik nicht mehr gilt und stattdessen die Gesetze der Quantenmechanik die Schaltelemente kontrollieren und beherrscht werden müssen. Das ist ein Problem für die Entwicklung und die Forschung, öffnet aber auch ganz neue Perspektiven.
(Zur Erläuterung: 1 Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters ungefähr 10 mal so groß wie ein Atom. Anderst ausgedrückt: 10.000 Transistoren von jeweils 100 Nanometern aneinandergereiht brauchen nur 1 Millimeter Platz.)
Eine der spektakulärsten neuen Ideen in diesem Sinne ist die Vision eines „Quantenrechners“.
Die Idee entstand erst vor wenigen Jahren zunächst als rein mathematisches Konzept, aufbauend auf den bekannten theoretischen Prinzipien der Quantenmechanik. Wenn Quantencomputer zur Verfügung stünden, könnten auf Grund eines massiv parallelen Rechnens gewisse Probleme gelöst werden, für die alle bekannten klassischen Computer und Algorithmen inakzeptabel lange Zeit bräuchten. Die Speichereinheit eines klassischen Computers ist das Bit mit zwei logischen Zuständen 0 oder 1. Die Speichereinheit des Quantencomputers ist das Quantenbit oder kurz „Qubit“, das auch in zwei logischen Zuständen 0 oder 1 aber auch in einer „Superposition“ dieser beiden Zustände sein kann. Wir können daher eine Rechnung gleichzeitig für beide Anfangswerte des Qubits durchführen und pro Qubit einen Faktor 2 an Rechenzeit gewinnen. Bei Tausenden von Qubits bringt dies einen enormen Vorteil. Dies ist die Grundlage des angesprochenen massiv parallelen Rechnens.
Klassische Computer arbeiten mit Transistoren, hergestellt mit der weit entwickelten Silizium-Technologie. Die Frage ist, aus welchen physikalischen Systemen Quantencomputer gebaut werden sollten. Verschiedene Realisierungen von Qubits wurden vorgeschlagen und werden an diversen Forschungseinrichtungen weltweit untersucht. Dazu gehören Atome in Fallen, Kernspins in geeigneten Molekülen und quantenoptische Systeme. Festkörpersysteme haben Vorteile, direkt in elektronische Schaltkreise integrierbar zu sein, und sie sind „skalierbar“, d.h. sie erlauben im Prinzip den Aufbau eines beliebig großen Computers mit vielen Qubits. Supraleitende Systeme haben den zusätzlichen Vorteil relativ langer Phasenkohärenzzeit, eine notwendige Vorraussetzung für den Quantencomputer.
Die Entwicklung und Anwendung der benötigten supraleitenden Schaltungen erfordert Forschung an den Grenzen des heute möglichen. Es setzt voraus, dass die entsprechenden Bauelemente mit Abmessungen im Bereich von wenigen 10 Nanometern hergestellt werden können. Die Experimente müssen bei tiefen Temperaturen im Bereich unterhalb eines Kelvin (also weniger als ein Grad weg vom absoluten Nullpunkt) durchgeführt werden. Die Qubits müssen sehr schnell geschaltet werden, was Erfahrung mit Hochfrequenztechnologie erfordert. Und sie müssen bestmöglich von der Außenwelt abgeschirmt werden. Wenige Gruppen weltweit – an den Fingern abzählbar – haben genügend Erfahrung mit all diesen Anforderungen, und entsprechend wenige Gruppen konnten bisher Erfolge vorweisen.
Die Arbeitsgruppe Quantencomputing am Institut für physikalische Hochtechnologie in Jena um Dr. Evgeni Il’ichev, mit Dr. Thomas Wagner, Prof. Miroslav Grajcar und Dipl. phys. Andrei Izmalkov, gehört zu den wenigen. In Deutschland ist die Gruppe fast die einzige, auf jeden Fall ist sie diejenige, die am frühsten Ergebnisse mit supraleitenden Quanteninformationssystemen vorzeigen konnte. Dies setzte Weitblick, Verständnis und Begeisterung für die neuartigen Fragestellungen, sowie Erfahrung und Geduld für die langwierige Aufbauleistungen voraus.
Ein Aufsehen erregendes Ergebnis der Gruppe ist die kontrollierte Erzeugung „verschränkter Zustände“ bei gekoppelten Quantenbits, eine der Vorraussetzungen für logische Operationen beim Rechnen mit dem Quantencomputer. Ein anderer Erfolg ist der Nachweis der quantenmechanischen kohärenten Rabi-Oszillationen, die zur Schaltung der Qubits gebraucht werden. Und schließlich erreichten sie unter Verwendung fortschrittlicher rauscharmer Halbleiterelektronik und rückwirkungsarmer Ausleseelektronik längere Kohärenzzeiten als je zuvor.
Wir wissen noch nicht, ob die neue Technologie, die mit „Quantum State Engineering“ (Quanteningenieurwesen) beschrieben wird, unser Leben genauso beeinflussen wird wie die Entwicklung des Transistors. (Ich weiß auch nicht, ob die Entwicklung mit einem Nobelpreis, und wenn ja für wen, ausgezeichnet werden wird.) Aber die Möglichkeit besteht durchaus. Schon jetzt werden neben dem Quantenrechner andere Anwendungen ins Auge gefasst. Dazu gehören Stromstandards oder ultrasensitive Messgeräte, die mit derselben Technologie gebaut werden können. Und wir können erwarten, dass mit zunehmender Erfahrung noch weitere, bisher nicht erahnte Anwendungen hinzukommen (wie bei fast allen Entdeckungen in der Physik in der Vergangenheit).
Der Kopf der Gruppe, Dr. Evgeni Il’ichev, erhielt seine Ausbildung in Moskau und promovierte am Institut für Mikroelektronische Technologie der russischen Akademie der Wissenschaften in Chernogolovka. Ein ist Experte in der Supraleitung und Hochfrequenztechnik, arbeitet seit 1995 am Institut für Physikalische Hochtechnologie in Jena und leitet die Forschungsgruppe Quantencomputing seit 2002.
Dr. Thomas Wagner erhielt seine Ausbildung bis zur Promotion an der Universität Bayreuth. Dort sammelte er ohne Zweifel Erfahrung mit Tieftemperaturtechniken. Auch er ist seit 1995 in Jena, zunächst an der Friedrich-Schiller-Universität, und seit 2000 arbeitet er am Institut für Physikalische Hochtechnologie.
Prof. Miroslav Grajcar, von der Comenius Universität in Bratislava war und ist regelmäßiger Gast des Instituts und hat wesentlich zu den Erfolgen der Gruppe beigetragen.
‚Last but not least’ der Doktorand in der Gruppe, Dipl. phys. Andrei Izmalkov, studierte in Moskau und promoviert seit 2002 am Institut für Physikalische Hochtechnologie. Ich will hier in Erinnerung rufen, dass es viele Beispiele gibt, wo erfolgreiche Projekte nur deshalb zustande kamen, weil gute und engagierte Doktoranden daran arbeiteten.
Ich will noch eine persönliche Bemerkung machen. Ich hatte Gelegenheit die Gruppe im Laufe des letzten Jahres zu besuchen, eingeladen von Herrn Privatdozent Dr. Krech vom Institut für Festkörperphysik, und war beeindruckt einerseits von den inzwischen erreichten Erfolgen der Quantencomputing-Gruppe aber auch ganz besonders von der Begeisterung und dem Engagement, das ich hier sah.
Insofern freut es mich ganz besonders, dass diese Gruppe mit dem Forschungspreis des Landes Thüringen 2004 geehrt wird, und es freut mich, dass ich die Ehre habe, die Laudatio zu halten, was ich von Herzen gerne getan habe.