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Feine Drähte verbinden die kupferfarbenen Scheiben des Kryostats, der in einem der Labore des Forschungszentrums Jülich (FZJ) steht. Prof. Dr. Pavel Bushev, Leiter einer FZJ-Forschungsgruppe, erklärt, wie der Kryostat funktioniert. An der kühlsten Stelle hat das Gerät eine Temperatur von zehn Millikelvin. Das sind -273,15 °Celsius. Gespannt hören die Studierenden der FH Aachen zu. Supraleitung, Helium-3, Qubits – wer sich nicht auskennt, verliert leicht den Überblick. Gut, dass die Studierenden wissen, worum es geht. Denn ein Semester lang haben sie bei Prof. Bushev Quantumcomputing gelernt. Mit Quantencomputern lassen sich hochkomplexe Probleme lösen, für die ein klassischer Computer Tausende von Jahren bräuchte. 

An der FH Aachen gibt es das Wahlfach Quantumcomputing erst seit vergangenem Jahr und kommt für Studierende des Bachelorstudiengangs Angewandte Physik des Fachbereichs Energietechnik wie gerufen. „Quantumcomputing ist ein ideales Vertiefungsfach für unsere Studierenden“, meint Prof. Dr. Robert Fleischhaker, der Physik und Lasertechnik am Fachbereich Energietechnik lehrt und sich zusammen mit den Studierenden die Labore angeschaut hat. „Der Studiengang Angewandte Physik kombiniert mit dem Schwerpunkt in Physik und Fächer aus Elektrotechnik und Maschinenbau die unterschiedlichen Perspektiven von Forschung und Anwendung. Unsere Absolvent:innen haben dadurch klare Vorteile im Vergleich zu reinen Naturwissenschaftler:innen oder Ingenieur:innen, da in vielen modernen Forschungsfeldern beide Bereiche relevant sind.“ Im Quantumcomputing benötigen sie einerseits die abstrakten Konzepte aus der Quantenphysik und beherrschen andererseits die anwendungsorientierten Ingenieurmethoden, die es zum Arbeiten in entsprechenden Laboren braucht. „Ob Mikrowellenschaltungen, Kryotechnik oder Supraleitung – hier im Labor kommen bei all diesen Anteilen die beiden Bereiche, Ingenieurwissenschaften und Quantenphysik, zusammen“, meint Prof. Fleischhaker.

Wer sich bis hierher gefragt hat: „Was ist eigentlich Quantumcomputing?“ – hier eine kurze Erklärung. Quantencomputer arbeiten wie herkömmliche Computer mit dem Binärsystem. Allerdings können Bits herkömmlicher Computer nur den Zustand 0 oder 1 einnehmen. Quantenbits, kurz Qubits, können hingegen 0, 1 oder eine Überlagerung von 0 und 1 darstellen. Dadurch ergeben sich sehr viele mögliche Kombinationen. Qubits stellen Informationen in Form von Wellen dar. Bei einer Berechnung ergeben sich so einzelne Wellenlinien. Wahrscheinliche Antworten werden durch die Überlagerung von einzelnen Wellen verstärkt und unwahrscheinliche Antworten unterdrückt. Heißt: Eine Spitze in einer Wellenfunktion lässt auf eine wahrscheinliche Antwort schließen. Ein Anwendungsfeld von Quantumcomputing ist die molekulare Simulation. Während klassische Computer aufwendig berechnen müssten, wie sich ein Molekül verhält, können Quantencomputer molekulare Systeme genauer und effizienter simulieren.

Für die sechs Studierenden der FH Aachen, die das Modul belegt haben, war es eine besondere Erfahrung. „Es ist ein anspruchsvolles Fach“, meint Lina Trippelsdorf, die Angewandte Physik studiert. Deshalb lernen es Studierende erst gegen Ende ihres Bachelors. „Ich habe mich sehr gefreut, dass das Modul angeboten wurde, weil Quantumcomputing ein sehr aktuelles und spannendes Thema ist, mit dem man im normalen Studienverlauf sonst nur wenige Berührungspunkte hat. Besonders interessant fand ich die Möglichkeit, nicht nur die theoretischen Grundlagen kennenzulernen, sondern auch einen Einblick in die praktische Forschung und Anwendung zu bekommen“, fährt sie fort. Auch über Fachbereichsgrenzen hinaus hat es Interesse geweckt. So hat Tristan Wölbert, der Angewandte Chemie dual studiert, das Modul ergänzend zu seinem Curriculum belegt. „Es war eine super Vorlesung und sehr gut zu verstehen. Prof. Bushev ist toll auf unsere Fragen eingegangen“, erzählt er.

Damit ein Quantencomputer möglichst ungestört rechnen kann, braucht es Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt, also fast -273,15 °Celsius. Solche Temperaturen sind nicht so einfach zu erreichen. Erforderlich ist ein Kryostat, um den Quantenprozessor und seine Umgebung auf wenige Millikelvin herunter zu kühlen. Null Kelvin entsprechen -237,15 °Celsius. In den Laboren des FZJ stehen mehrere dieser Kryostate. Mit ihrer Hilfe erprobt die Forschungsgruppe um Prof. Bushev neue Quantenprozessoren. Allerdings nehmen die Geräte viel Platz ein, weshalb die Forschungsgruppe 2022 in größere Labore auf dem Campus Melaten in Aachen umgezogen ist. 

Ein sogenannter Mischungskryostat ist eine Art Kühlschrank mit verschiedenen Abkühlungsstufen, oben ist es wärmer, unten kühler. Ganz unten ist der Quantenprozessor installiert. Um Temperaturen von wenigen Millikelvin zu erreichen, nutzt ein Mischungskryostat die besonderen Eigenschaften einer Mischung aus den beiden Helium-Isotopen Helium-3 und Helium-4. Bei sehr tiefen Temperaturen bilden sich zwei unterschiedliche Flüssigkeitsphasen. Wenn Helium-3-Atome von einer Phase in die andere übertreten, wird Wärme aufgenommen – dadurch entsteht die Kühlwirkung. Der Kryostat selbst ist aus Kupfer gebaut, weil es zu den Metallen gehört, die am meisten Wärme leiten und ableiten. Ist der Quantenprozessor erstmal auf zehn Millikelvin heruntergekühlt, ist das ein besonderes Ereignis, erzählt Prof. Bushev. „Dann wird der Mischungskryostat normalerweise für mehrere Monate rund um die Uhr genutzt. Schon drei Monate Betrieb liefern Ergebnisse, mit denen sich Forscher:innen ein ganzes Jahr oder länger beschäftigen.“ 

Quantumcomputing werde sich in den nächsten Jahren schnell weiterentwickeln, so Prof. Bushev. „Wir brauchen Wissenschaftler:innen, die mit uns an neuen Technologien arbeiten“, meint er. Für die Studierenden der FH Aachen ist das eine einzigartige Gelegenheit. Vielleicht sind sie irgendwann selbst Teil eines Teams, das zu Quantumcomputing forscht. Die Grundlage dafür ist jedenfalls gelegt.