Vom medizinischen Bereich bis zur Künstlichen Intelligenz (KI) könnten alltagstaugliche Quantencomputer viele Prozesse um ein Vielfaches beschleunigen. Doch die bisherigen Modelle haben einen entscheidenden Haken: Sie funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen. „Das liegt an den Quantenbits, auch Qubits genannt, die den Computer steuern und dabei mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können. Mit diesen Qubits können Quantencomputer große Rechenleistungen erzielen. Die gängigen Qubits funktionieren allerdings erst knapp über dem absoluten Nullpunkt, das sind ungefähr -273 °C“, erklärt Prof. Dr. Vojislav Krstić, Institut für Physik der Kondensierten Materie.
Deshalb müssen Quantencomputer momentan noch aufwändig und mit großen Anlagen gekühlt werden. „Um Quantencomputer in den Alltag zu integrieren, müssen wir elektrisch adressierbare Qubits finden, die auch bei höheren Temperaturen stabil arbeiten“, sagt Krstić. Das würde nicht nur die Geräte kleiner und erschwinglicher machen, sondern auch ihren Energieverbrauch bedeutend reduzieren.
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Die Suche nach dem Qubit der Zukunft
Im Fokus des Forschungsprojekts stehen deshalb topologische Isolatoren: eine Materialklasse, der äußere Einflüsse nichts ausmachen und die Informationen deshalb besonders sicher übermitteln kann. Damit haben die topologischen Isolatoren auch das Potenzial, die Entwicklung des Quantencomputings voranzutreiben. Bisher wurden sie vor allem im makroskopischen, also mit dem Auge sichtbaren, Maßstab untersucht.
„Wenn wir die Struktur dieser Materialien nun auf wenige Nanometer verkleinern und gezielt Symmetrien brechen, verändern sich ihre energetischen Eigenschaften und wir könnten sie als Qubits nutzen“, erklärt Krstić. Dabei müssen die Forschenden die Symmetrien des Materials so brechen, dass es stabil bleibt und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften für den Einsatz in Quantencomputern aufweist. „Das ist eine große Herausforderung. Sollten wir aber auf diesem Weg ein Qubit finden, das bei höheren Temperaturen funktioniert, eröffnen sich neue Möglichkeiten. Beispielsweise könnten Quantencomputer in Autos verbaut werden, die die Energiezufuhr regulieren.“
Über das Forschungsprojekt
Das Forschungsprojekt an der FAU wird über zwei Jahre hinweg gefördert und soll dazu beitragen, die internationale Forschung im Bereich Quantencomputing entscheidend voranzubringen. Dabei fließen die Fördermittel vor allem in das Personal und in spezielle Geräte und Verbrauchsmaterial. Die Arbeit von Krstić und seinem Team könnte nicht nur die Technik nachhaltig verändern, sondern auch zu einem nachhaltigeren Umgang mit Ressourcen beitragen – ein entscheidender Vorteil in Zeiten des Klimawandels. Denn Quantencomputer, die weniger aufwendige Kühlung benötigen, wären nicht nur umweltfreundlicher, sondern könnten auch überall eingesetzt werden – vom Laptop auf dem Schreibtisch bis hin zur KI im medizinischen Bereich.
