«Es ist stets ein Zusammenspiel»

Das Projekt MolQ wagt sich in unbekannte Gebiete der Quantenphysik. Es braucht eine enge Begleitung durch theoretische Modellierungen. Jelena Klinovaja und Daniel Loss von der Universität Basel leiten diesen Projektteil. Klinovaja erzählt, wo die Theorie ansetzt und welche Arbeiten besonders schwierig sind.

Jelena Klinovaja, Sie übernehmen gemeinsam mit Daniel Loss die theoretischen Arbeiten im MolQ-Projekt. Was beinhaltet das?

In MolQ werden Moleküle gebaut, die anschliessend für Messungen verwendet werden. Wir Theoretiker unterstützen diese beiden Bereiche auf verschiedenen Ebenen. Zum einen helfen wir, die bei den Messungen erzeugten Daten zu analysieren. Zum anderen können die Theorien auch vorschlagen, was gemessen werden sollte, damit wir überhaupt den Effekt finden können, den wir identifizieren wollen.

 

Was ist mit den unterschiedlichen Molekülen, welche das Chemie-Team herstellt?

Das ist eine weitere Aufgabe: Diese Moleküle können unterschiedlich angeordnet werden. Bei manchen kann man theoretisch vorhersagen, dass sie sehr interessant sind. Aber es ist stets ein Zusammenspiel. Vielleicht sagen die Chemiker, dass es experimentell gar nicht möglich ist, die von uns Theoretikern bevorzugte Anordnung zu erreichen. Diese Interaktion ist das Schöne an dem Projekt.

 

Welche Berechnungen oder Konzepte sind besonders anspruchsvoll?

Die topologisch geschützten Phasen sind nicht leicht zu identifizieren, es laufen weltweit Bemühungen dazu. Und momentan arbeiten wir mit einzelnen Elektronen und ihren magnetischen Momenten. Wir wollen aber letztlich topologische Phasen erzeugen, die durch Elektron-Elektron-Wechselwirkungen entstehen. Solche kollektiven Anregungen sind eine grosse Herausforderung.

 

Es gibt viele Möglichkeiten, Qubits herzustellen. Wie schätzen Sie aus theoretischen Überlegungen den  MolQ-Ansatz ein?

Es ist ein sehr riskanter Ansatz, weil wir über dieses molekulare topologische System noch nicht viel wissen. Aber es gibt einige theoretische Hinweise darauf, weshalb solche Qubits sehr interessant sein könnten. Deshalb sollte man diesen Molekül-Ansatz unbedingt erforschen.

Sehen Sie auch Knackpunkte, an denen das Konzept scheitern könnte?

In der Physik muss man immer damit rechnen, dass etwas schiefgehen kann. Aber oft scheitert man nicht, weil etwas gar nicht funktioniert. Viel eher erkennt man, dass es einen besseren Ansatz gibt. Vielleicht sehen wir nach fünf Jahren, dass unsere ursprüngliche Konfiguration nicht optimal war und wir auf eine andere supraleitende Plattform wechseln sollten. Wir müssen flexibel sein und uns an den Ergebnissen orientieren.

 

Die Topologie ist ein wichtiger Aspekt von MolQ (siehe Text Seite 38). Sie gehen davon aus, dass sich dank dieses Schutzes die Kohärenzzeiten der Qubits von Nanosekunden auf Mikrosekunden verlängern könnten. Das ist immer noch ziemlich kurz.

Es geht weniger um die absoluten Zeiten. Viel wichtiger ist, wie viele Rechenoperationen sich in dieser Zeit durchführen lassen. Und die genannten Zahlen sind sogar eher die niedrigste Grenze, die man aus theoretischer Sicht erwartet. Aber natürlich gibt es einen Kompromiss, den man eingehen muss.

 

Welchen?

Ein sehr gut geschützter Zustand kann durch die Umgebung nicht gut verändert werden. Aber das bedeutet auch, dass es für uns Forscherinnen und Forscher schwieriger wird, Manipulationen durchzuführen. Vor dieser Herausforderung stehen alle Qubit-Plattformen.

 

Die Quantenwelt stellt unsere Vorstellung der Wirklichkeit infrage. Es gibt Teilchen, die zwei Zustände aufs Mal einnehmen oder die miteinander gekoppelt sind, obwohl sie weit voneinander liegen. Wie kommt man solchen Phänomenen in der Theorie auf die Spur?

Die Quantenmechanik lässt sich anhand von Berechnungen relativ gut begreifen. Die Mathematik dahinter ist keine Hexerei. Wer beginnt, sie zu studieren, braucht etwas Zeit, versteht sie aber bald besser. Aber es gibt viele Möglichkeiten, diese Gleichungen zu interpretieren – es wird dann eher philosophisch. Und die Quantenmechanik lässt sich im Alltag nicht intuitiv beobachten.

 

Wie gross sind die Fortschritte rund um das Quantencomputing?

Es sind riesige Fortschritte. Viele Qubit-Plattformen waren vor 20 Jahren noch unbekannt oder steckten in den Kinderschuhen. Heute haben wir eine gewisse Kontrolle darüber. Aber es gibt noch grosse Herausforderungen. Es geht heute nicht mehr nur darum, ein einzelnes Qubit zu erstellen, sondern auch Qubits zu koppeln und zu skalieren.

 

Was braucht es für den Durchbruch?

Für einen Durchbruch braucht es manchmal eine ganz bestimmte Zutat. Bei der künstlichen Intelligenz fehlte es lange an Rechenleistung und leistungsstarken Chips. Beim Quantencomputing ist meiner Meinung nach eine bestimmte Materialqualität erforderlich. Wenn Qubits derzeit nicht funktionieren, liegt das meist an einer Unvollkommenheit oder Unordnung des Materials.

 

Ist das einer der grossen Vorteile des MolQ-Ansatzes?

Ja. Wir arbeiten mit Molekülen. Und Moleküle sind, ähnlich wie Atome, reproduzierbar. Im Vergleich zu Kristallgittern weisen sie viel weniger Defekte auf. Durch die molekularen Bindungen entstehen stets dieselben, vorhersagbaren Strukturen. Das ist eine wichtige Voraussetzung, um die sensiblen Quanteneffekte zu erzeugen.