Niemand weiß heute, welche Technologie die Quantencomputer der Zukunft nutzen wird. Aber der Wettlauf um diese Computer hat schon sehr komplizierte Maschinen hervorgebracht.

Fast alle modernen Computer nutzen die gleiche Technologie. Das gilt für den billigen kleinen Computer im Geschirrspüler und für teure Hardware für Künstliche Intelligenz. Sie nutzen Platten aus Silizium. Auf dem Silizium gibt es sehr kleine Strukturen. Sie heißen Transistoren.

Elektronische Schaltkreise mit Transistoren können sehr schnell und sicher zwischen zwei Zuständen wechseln. Die Zustände heißen normalerweise „0" und „1". So können sie Bits speichern und bearbeiten. Bits sind die kleinsten Einheiten für Information.

Quantencomputer können Information auf neue und stärkere Art verarbeiten. Sie nutzen nicht nur 1 und 0. Sie können bestimmte Probleme lösen, die für normale „klassische" Computer zu schwer sind. Aber es ist sehr schwer, eine Maschine zu bauen, die stark genug dafür ist. Quantencomputer haben noch nicht ihren Transistor-Moment gehabt. Forscher probieren noch viele verschiedene Wege, um Quanten-Hardware zu bauen.

Die heutigen Wege unterscheiden sich vor allem in einer Frage: Welches physikalische System nutzen sie als Qubit? Qubits sind die kleinsten Bausteine von Quantencomputern. Anders als Schaltkreise für klassische Bits können Qubits seltsame Phänomene zeigen. Diese Phänomene heißen Superposition und Verschränkung. Sie geben Qubits mehr Rechen-Power. Aber diese Quanten-Effekte sind auch sehr empfindlich. Sie werden leicht durch Störungen aus der Umgebung kaputt gemacht. Jede Qubit-Technologie versucht, zwei schwierige Eigenschaften zu verbinden: Qubits müssen isoliert sein von Störungen von außen. Aber Forscher müssen sie auch leicht steuern können.

Einige Forscher setzen auf natürliche Quantensysteme wie Atome. Um ein einzelnes Atom als Qubit zu nutzen, muss man es zuerst isolieren und fangen. Das passiert in einer Vakuum-Kammer. Dafür gibt es zwei verschiedene Wege.

Beim ersten Weg, dem Ionenfallen-Quantencomputer, schlagen Forscher ein Elektron aus jedem Atom heraus. So entstehen positiv geladene Ionen. Diese Ionen kann man mit elektrischen Feldern festhalten.

Der andere Weg nutzt viele stark fokussierte Laserstrahlen. Sie heißen optische Pinzetten. Damit fangen sie neutrale Atome.

Andere Forscher nutzen einen anderen Weg. Er heißt supraleitendes Quantencomputing. Dabei bauen sie künstliche Qubits. Sie nutzen dafür veränderte Prozesse aus der klassischen Computer-Produktion. Sie bauen sehr kleine Schaltkreise aus Metallen wie Aluminium und Niob. Diese Metalle werden zu Supraleitern, wenn man sie auf sehr niedrige Temperaturen kühlt. Diese supraleitenden Schaltkreise liegen in speziellen Kühlsystemen. Sie heißen Verdünnungskryostate. Dort können die Schaltkreise wie Qubits arbeiten. Es gibt noch viele andere mögliche Qubits. Zum Beispiel Elektron-Spins, Photonen und noch exotischere Quantensysteme.

Ein sehr großes Problem für alle Wege ist das Skalieren. Das heißt: von kleinen Prototypen zu viel größeren Systemen kommen. Es reicht nicht, nur ein paar gute Qubits zu bauen. Forscher brauchen am Ende mindestens zehntausende Qubits. Das ist die optimistischste Schätzung. Vielleicht brauchen sie sogar Millionen. Mehr Qubits bedeuten auch größere und kompliziertere Systeme für Steuerung und Messung. Es ist noch zu früh zu sagen, welche Technologie gewinnt. Oder ob überhaupt eine Technologie gewinnt. Die folgenden Bilder geben einen Einblick in die große Arbeit, um verlässliche Quantencomputer zu bauen.

Dieses besondere Foto ist aus dem Jahr 2017. Es wurde in einem Labor für Ionenfallen-Quantencomputer an der Universität Oxford gemacht. Es zeigt ein einzelnes Strontium-Ion. Das Ion schwebt in einer Vakuum-Kammer. Elektrische Felder von nadel- und klingenförmigen Stahl-Elektroden halten das Ion in der Mitte. Der Bereich zwischen den Nadelspitzen ist 2 Millimeter groß. Das Ion ist sichtbar, weil es ständig Photonen aus einem Laserstrahl aufnimmt und wieder abgibt. So gibt es überschüssige Energie ab. Solche relativ großen „Klingenfallen" nutzen viele Labore an Universitäten. Sie testen damit neue Quanten-Techniken mit wenigen Qubits. Foto: David Nadlinger / Universität Oxford

Um Ionenfallen-Quantencomputer größer zu machen, brauchen Forscher kompaktere „Oberflächenfallen". Bei diesen Fallen schweben die Ionen über einem Chip. Elektrische Felder von dünnen Gold-Elektroden auf der Chip-Oberfläche halten sie dort. Diese Oberflächenfalle ist Thema einer Arbeit aus dem Jahr 2021. Forscher am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, haben die Arbeit geschrieben. Die Falle hat einen integrierten Photonen-Detektor. Das ist der kleine schwarze Punkt in der Mitte des Chips. Er misst den Zustand von Beryllium-Ionen. Die Beryllium-Ionen sind die Qubits. Foto: D. Slichter / NIST

Ein Neutralatom-Quantencomputer braucht viele verschiedene Lasersysteme. Die Laser bewegen, fangen, messen und steuern die Atome. Die Atome sind die Qubits. Dieses Foto zeigt einen optischen Tisch in einem Labor für Neutralatome an der Harvard-Universität. Man sieht einige Spiegel, Linsen, Glasfasern und Detektoren. Mit anderen Teilen zusammen leiten, teilen und stabilisieren sie die Laserstrahlen. Foto: Ken Richardson

Das nächste Bild im Original-Artikel ist nicht vollständig. Es zeigt eine Glas-Vakuumzelle mit einem weißen Gehäuse.