Philip Walther ist "Mit einem Quäntchen Quantum" voll im Trend

Workgroup Walther Group


26. Jan 2015  — Forschung. An der Wiener Universität arbeiten Wissenschaftler unter Physiker Philip Walther an den ersten Bauteilen für einen Quantencomputer. Dieser soll nicht nur schneller, sondern vor allem sicherer sein als jeder Computer bisher. (von Oliver Judex)


Philip Walther ist "Mit einem Quäntchen Quantum" voll im Trend


Wer mit dem ersten Quantencomputer arbeiten will, braucht dazu keine Maus. Nicht einmal eine Tastatur. Sondern eine Schutzbrille. Die ist Vorschrift im Labor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Wiener Universität. Denn genau genommen handelt es sich bei dem Computer erst um eine experimentelle Versuchsanordnung zur Erforschung der Grundlagen, wie man eine derartige Quantenmaschine künftig bauen kann. Laserstrahlen werden dabei durch ein Spiegelkabinett in Miniaturform geschickt und passieren verschiedene hochkomplexe Bauteile, mit denen einzelne Lichtteilchen geteilt, gelenkt, gefiltert und gemessen werden.
Das sensationelle Ergebnis: Man kann mit Licht rechnen. Zwar sind erst erste einfache Grundrechnungsarten möglich, für die man stundenlang die jeweilige Versuchsanordnung einrichten muss. Aber dem Team rund um den Quantenphysiker Philip Walther gelingt es, damit zu zeigen, dass es möglich ist, sich die Welt der Quantenmechanik zunutze zu machen, um einen superschnellen Computer bauen zu können. „Wir arbeiten dabei wie Kinder mit Matador“, lächelt Walther, der sich zwar der Tragweite seiner Experimente bewusst ist, aber auch weiß, dass die Wissenschaft erst am Anfang steht.
Einige Tausend Forscher weltweit tüfteln derzeit verbissen daran, die für Laien kaum verständliche Materie der Quantenphysik für konkrete Anwendungen umzusetzen. Der Quantencomputer ist dabei neben der Quantenkryptografie die spannendste Idee. Sie beruht darauf, sich das spezielle Verhalten zum Beispiel von Atomen oder Lichtteilchen zunutze zu machen, um damit Berechnungen durchführen zu können.
Dieses Verhalten ist vor über 80 Jahren unter anderen von den österreichischen Physikern Erwin Schrödinger und Albert Einstein entdeckt worden und wird seitdem als „Quantenmechanik“ bezeichnet (das Wort Quantum stammt von Quantelung, der Zerteilung einer Gesamtheit in kleine Teile). Eines der unerklärlichen Phänomene dabei: Einzelne Teilchen können derart verknüpft werden, dass sie einander wie von Geisterhand beeinflussen, auch wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind (...). Für Physiker wie Walther sind solche Mysterien Alltag: „Ich staune jeden Tag wie ein Kind. Die Quantenphysik ist so herrlich anders. Man wird immer wieder überrascht und muss bestimmte Vorstellungen vom klassischen Weltbild über Bord werfen.“
Genau diese Andersartigkeiten wollen nun Physiker wie Walther nutzen, um eine völlig neue Computergeneration zu bauen: Rechner, die um Potenzen schneller sind, und dabei auch noch viel kleiner und unknackbar sicher. „Damit beginnt ein neues Informationszeitalter“, bestätigt Anton Zeilinger, Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und einer der weltweit anerkanntesten Quantenforscher – zuletzt bekannt geworden für seine Erfolge bei der Quantenkryptographie in Zusammenarbeit mit chinesischen Wissenschaftlern: „Es kommt die Zeit, in der die gesamte Informationstechnologie praktisch nur noch auf Quanten aufgebaut sein wird.“
Geld von der Airforce. Zeilinger ist der Doktorvater des 36-jährigen Walther, der seinen Master mit Auszeichnung in Chemie gemacht hatte, danach aber unbedingt bei Zeilinger an der Fakultät für Physik promovieren wollte. Nach Forschungsjahren in Harvard wurde er Universitätsassis tent in Wien, wo er 2012 im Fachbereich der Quantenoptik habilitierte. Heute zählt Walther zu den besten Quantenphysikern der Welt.
Vor allem in den letzten zwei Jahren hat er sich einen Namen mit seinen Experimenten gemacht, bei denen er Lichtteilchen verwendet, um die wundersame Welt der Quanten für den Bau eines Computers zu nutzen. Andere Wissenschaftler – darunter auch viele an der TU Wien und der Uni Innsbruck, die zusammen, so Zeilinger, einen Forschungscluster bilden, der international zu den top fünf auf diesem Gebiet zählt – arbeiten hingegen meist mit Atomen, Ionen oder Halbleitern. Doch Lichtteilchen, also Photonen, scheinen vor allem für kleinere Computer die beste Wahl zu sein.
„Walther zählt unter denen, die auf Photonen setzen, weltweit zu den Topgruppen“, schätzt Zeilinger. Das beweist auch das internationale Interesse an seinen Forschungen – und das finanzielle Engagement. Gleich 700.000 Dollar kommen von der US-Airforce, die ihren Geldregen an keinerlei Auflagen geknüpft hat. Sämtliche Forschungsergebnisse dürfen publiziert werden. „Das ist das schönste Grundlagengeld“, freut sich Walther, der inzwischen 15 Forscher zu seiner Arbeitsgruppe zählt. Weitere Mittel kommen aus verschiedenen Fonds von EU, Bund und der Stadt Wien; die Infrastruktur und Walthers Gehalt – er ist seit Kurzem Vizedekan der Fakultät – stellt die Uni Wien.
Heiliger Gral. Dass sich die US-Airforce für diese Technologie interessiert, wundert nicht angesichts der Auswirkungen, die ein fertiger Quantencomputer nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Wirtschaft und natürlich auch das Militär hätte. „Es gibt Fragen der Materie und der Natur, die wir mit konventionellen Methoden nicht berechnen können“, erklärt Walther. Ein Quantencomputer hingegen fände viel rascher die Lösung, um zum Beispiel Baupläne der Natur zu entschlüsseln und für die Menschheit nutzbar zu machen: „Und das kann zu mehr Lebensqualität beitragen.“
Auch überall dort, wo es gilt, große Datenmengen auszuwerten oder etwas Bestimmtes in einer Datenbank zu finden, wird der Quantencomputer bereits herbeigesehnt. Nicht umsonst zeigen auch Amazon oder der US-Rüstungskonzern Lockheed Martin großes Interesse: Sie kauften im Mai 2011 den kanadischen Hardwarehersteller D-Wave Systems, der behauptete, den ersten kommerziellen Quantencomputer der Welt zu bauen. Google und die NASA zählten zu den ersten Unternehmen, die eines dieser Wunderdinger bestellten.
Inzwischen weiß man allerdings, dass es sich dabei nicht um einen Quantencomputer im eigentlichen Sinn handelt. Denn für diesen werden eben erst die Grundlagen erforscht. „Einen richtig großen Quantencomputer zu bauen, das ist für uns der heilige Gral“, weiß Walther. Dieser würde anfangs auch nur in wenigen Exemplaren existieren, so aufwendig wäre sein Bau.
Das größte Nutzen eines Quantencomputers wird dabei die erwähnte Schnelligkeit sein. Da in den eingesetzten Quantenbits alle Lösungen gleichzeitig vorhanden sind (...), werden weniger Schritte benötigt, um zu einem Ergebnis zu kommen. „Wenn ich in einem unsortierten Telefonbuch mit zwei Millionen Einträgen den Namen eines bestimmten Menschen suche“, erklärt Walther, „benötigt ein normaler Computer eine Million Schritte. Ein Quantencomputer muss hingegen nur 1000-mal nachschauen. Und andere mathematische Konzepte funktionieren noch schneller.“
Ein bisschen Quantum. Ein derartiger Superrechner wird allerdings frühestens in zehn Jahren existieren. Vielleicht auch erst in zwei Jahrzehnten. Doch so lange will Walther nicht warten. Er hat nämlich experimentell nachgewiesen, dass ein Quantencomputer nicht nur schneller, sondern auch sicherer sein kann. Sein Ziel ist es nun, diesen Aspekt bei normalen Computern für eine Art Hybridlösung aus alter und neuer Technologie einzusetzen: „Mein Team und ich arbeiten daran, herkömmlichen Computern ein bisschen Quantum dazuzugeben, sie also so zu adaptieren, dass man kleine Quantenbausteine implementiert. Auf diese Weise weiß der Computer nie, was er berechnet, und ist damit absolut abhörsicher.“ Daten, mit denen er gespeist wird, sind dabei aufgrund quantenmechanischer Gesetze immer verschlüsselt. Nur der Empfänger der Ergebnisse kann die Lösung entschlüsseln. Schon heuer sollen die ersten Versuche stattfinden, verrät Walther, in drei bis fünf Jahren könnte die Technologie serienreif sein. Damit wäre es etwa möglich, dass Mailoder Cloud-Dienste ihren Kunden absolute Sicherheit anbieten können. Das Reizvolle daran: Der Kunde verschlüsselt seine Daten mit seinem kleinen Quantencomputer, verschickt sie über Glasfaser (technische Reichweite: bis zu 150 Kilometer), und der Server des Dienstleisters kann die Lichtteilchen sofort verarbeiten, speichern und bei Bedarf zurückschicken – und das, ohne dass jemand in der Lage ist, auch nur einen Blick auf die Daten zu werfen. Vor allem im Bereich der Wirtschaft, wo oft Konstrukteure oder Designer riesige Datenmengen auf externen Servern berechnen lassen, wäre dies ein wesentlicher Schritt in Richtung mehr Sicherheit – und eine der ersten konkreten Anwendungen von Quantencomputern.
Noch dazu wären bei Walthers Lösung keine komplizierten technischen Einrichtungen, kein Vakuum, keine Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt nötig wie etwa bei Quantencomputern auf Ionenbasis. „Darum ist die Photonentechnologie, auf die wir setzen, auch einer der heißesten Kandidaten für eine möglichst rasche Realisierung des ersten Quantencomputers.“ Was auch Zeilinger bestätigt: „Die Arbeit Walthers hat eine realistische Chance, dass daraus eine Erfolgsgeschichte wird. Er liegt damit jedenfalls sehr gut im Rennen.“

Trend 2 ¦ Februar 2015, S. 72-74