ETH-Professor Troyer hilft Microsoft bei der Erforschung von Quantencomputern (Update)

Microsoft will wie Google viel Geld investieren, um einen real funktionierenden Quantencomputer zu bauen.
 
Nicht nur Google möchte in wenigen Jahren einen funktionierenden Qantencomputer bauen. Auch Microsoft, einer der grossen Google-Konkurrenten im Internet, investiert schon seit 2005 in die Erforschung von Quantencomputern. Vor einer Woche hat der Softwareriese nun eine deutliche Erhöhung seines Enagements angekündigt. (Achtung: der Link funktioniert mit Chrome oder Explorer, aber nicht mit Firefox.) Das Ziel ist der Bau eines in der Realität funktionierenden, skalierbaren Quantencomputers.
 
Zum erhöhten Engagement gehört, dass Microsoft weitere renommierte Wissenschaftler in sein Forschungsteam holt. Einer davon ist Matthias Troyer, Professor für Computional Physics an der ETH Zürich. Der Bau eines real funktionierenden Quantencomputers ist nicht nur eine Herausforderung für Physiker und Ingenieure. So ein Quantencompter wird auch ganz neue Software erfordern. Genau dies ist das Spezialgebiet von Professor Troyer. "Ich werde an der Simulation der Qubits arbeiten und an der Entwicklung von Software und Anwendungen für Quantencomputer", erklärte er gegenüber inside-it.ch.
 
Neben Troyer wird neu auch Professor David Reilly, Direktor des Instituts für "Quantum Machines" der Universität Sidney, Beiträge zu Microsoft Quantenforschung leisten. Bereits seit einigen Jahren tun dies die Professoren Charles Marcus vom Niels Bohr Institut der Uni Kopenhagen sowie Leo Kouwenhagen von der Universität Delft. Die beiden letzteren werden nun von Microsoft direkt angestellt. Sie behalten trotzdem ihre Stellen an ihren jeweiligen Universitäten, so Microsoft, werden aber dort teilweise für Microsoft forschen und dazu dedizierte Labore aufbauen.
 
Update: Bei Matthias Troyer ist die Situation etwas anders: "Ich nehme unbezahlten Urlaub von der ETH und werde in Redmond in den USA arbeiten. Daneben betreue ich meine bestehende ETH-Forschungsgruppe und insbesondere meine Doktorierenden weiter. Ich habe jedoch in der Zeit meines unbezahlten Urlaubs keine Affiliation mit der ETH mehr."
 
Geleitet wird das Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren vom langjährigen Microsoft-Mitarbeiter Todd Holmdahl. Diesen kann man als Quereinsteiger auf das Gebiet der Quantencomputer bezeichnen. Laut Microsoft hat er aber schon in der Vergangenheit dabei geholfen "einige magisch erscheinenden Forschungsprojekte zu realen Produkten zu machen", darunter die Xbox, Kinect und die HoloLens.
 
Wie Google glaubt auch Microsoft, dass es an der Zeit ist, die Entwicklung von Quantencomputern von der reinen Forschung mehr in die Richtung einer realen Umsetzung zu bringen. "Ich glaube, wir befinden uns an einem Wendepunkt. Wir können nun von der Forschung zum Engineering übergehen," sagt dazu Todd Holmdahl. Einen Zeitpunkt, an dem dieser "skalierbare Quantencomputer" Realität sein könnte, nennt er aber nicht. Und fügt an, dasss es auch keine Garantie auf Erfolg gebe. Aber, so Holmdahl: "Man muss auch Risiken eingehen, wenn man etwas Grosses für die Welt schaffen will. Ich denke, wir sind nun an einem Punkt, an dem wir dies tun können.
 
Microsofts topologische Qubits
Die grundlegende Informationseinheit beim Quantencomputing wird Qubit genannt. Ein Qubit entspricht damit in diesem Aspekt einem Bit eines normalen Computers. Im Gegensatz zum Bit kann ein Qubit aber nicht nur die Zustände 0 und 1 haben, sondern auch eine Überlagerung der beiden.
 
Ein weiterer Gegensatz: Ein Qubit ist, anders als ein Bit, keine reine Information. Es hat eine direkte physische Entsprechung, zum Beispiel ein einzelnes Photon oder Elektron. Die Information steckt dann in einer messbaren Eigenschaft diese Partikels, zum Bespiel dem sogenannten Spin. Und: Ein Qubit ist nicht nur ein Informationsträger, sondern gleichzeitig auch der Mechanismus, der die Informationen verarbeitet. Salopp gesagt ist es Bit und Schaltkreis in Einem. Welche Eigenschaften ein Quantencomputer haben wird und wie schwierig es ist, ihn zu bauen, hängt unter anderem von der Wahl von Partikel und Eigenschaft ab.
 
Fangen und Verschränken
Qubits sind allerdings unter normalen Umständen äusserst flüchtige und kurzlebige Wesen. Um mit ihnen rechnen zu können, muss man sie "fangen", an einem bestimmten Ort festhalten, ihre Eigenschaften konservieren und sie dann auch noch verschränken (Entanglement). Die Erkärung, was Verschränkung ist, ginge hier zu weit. Aber ohne das Entanglement mehrerer Qubits kann ein Quantencomputer nicht die gewaltigen Fähigkeiten entfalten, die man sich von ihm erhofft. Darauf bezieht sich das von Microsoft benutzte Wort "skalierbar": Wenn man mal Qubits hat, besteht die nächste Herausforderung darin, sie zu einer Rechen- oder Speichereinheit "zusammenzubauen", die lange genug lebt und korrekt rechnet. Der Quantenzustand der Qubits ist aber sehr empfindlich auf äussere Einflüsse wie Hitze oder elektromagnetische Wellen.
 
Microsoft hat in seiner Quantencomputerforschung seit jeher auf eine Qubit-Variante gesetzt, die sich "topologische Qubits" nennt. Diese basieren auf weit exotischeren Partikeln, als Elektronen oder Photonen. Für topologische Qubits werden virtuelle Quasipartikel namens Anyonen verwendet. Das tönt noch abenteuerlicher, als "normale" Qubits. Wichtig ist aber: Topologische Qubits sollten theoretisch in relativ vertrauten Materialien wie Halbleitern erzeugt werden können. Und sie wären weniger empfindlich: "Topologische Qubits versprechen längere Lebenszeiten und höhere Genauigkeit als andere Ansätze. Deshalb verfolgt Microsoft diesen Weg," so Professor Troyer.
 
Ein auf topologischen Qubits basierender Quantencomputer könne im Prinzip für die gleichen Aufgaben eingesetzt werden, wie einer, der auf anderen Qubits basiert, erklärt Troyer weiter. Allerdings könne für manche Aufgaben ein "gutes Qubit" eine Rechnung ermöglichen, welche mit "schlechteren Qubits" zu lange dauern würde.
 
Microsofts neuer Quantenverantwortlicher Holmdahl ist zudem davon überzeugt, dass diese Art von Qubits ein vielversprechender Ansatz sind, wenn es um die Skalierung geht. Gegenüber der 'New York Times' erklärte er: "Wenn wir mal das erste Qubit ausgeklügelt haben, haben wir einen ziemlich klaren Fahrplan, der uns den Weg zu Tausenden von Qubits vorgibt." (Hans Jörg Maron)