Hohe Auszeichnung für Quantenphysiker an der Innsbrucker Universität

Vor kurzem wurde dem Quantenphysiker Hannes Pichler eine große Ehre zuteil. Er erhielt einen Starting Grand des Europäischen Forschungsrats. Diese mit rund 1,5 Millionen Euro dotierte Förderung erkennt seine theoretische Forschung zu Quanten-Vielteilchenphysik und Quanteninformationsverarbeitung an. Bei dieser Auszeichnung handelt es sich um die höchste für erfolgreiche Naturwissenschaftler in Europa.

Pichlers Forschungsgebiet gilt als ein möglicher Ansatz für die Realisierung von Quantencomputern. Sie würden eine Revolution in der IT darstellen, die zu enormen Fortschritten in der Verarbeitungsgeschwindigkeit von Rechenoperationen führen könnte. Doch der Quantencomputer der Zukunft bringt auch Probleme mit sich. Seine theoretische Rechenleistung bringt die aktuellen Verschlüsselungen in Gefahr.

Mit einem Schlag sind alle Transaktionen transparent

Verschlüsselung wird heute in unzähligen Bereichen eingesetzt. Doch die Entwicklung von Quantencomputern könnte diese unter Druck bringen. Immerhin benötigt ein herkömmlicher Supercomputer mehr als 100 Jahre, um die sichersten Verschlüsselungen zu knacken. Ein voll funktionsfähiger Quantencomputer könnte diese Aufgabe innerhalb von Stunden oder sogar Minuten erledigen.

Das erfordert in Zukunft neue Verschlüsselungstechniken für die Kommunikation, das Finanzsystem und die Identifikation. Sobald Geld oder persönliche Daten im Spiel sind, setzten Unternehmen auf eine Verschlüsselung der Daten. Diese stellt sicher, dass beispielsweise Online-Banking-Überweisungen bei Banken wie der Sparkasse klaglos funktionieren und niemand die Daten verändern oder mitlesen kann. So schützt die Verschlüsselung vertrauliche Informationen vor Dritten.

Ähnlich funktioniert der Geldverkehr bei Online-Casinos. Dort vertrauen die Kunden von Anbietern wie PokerStars Vegas auf sichere und schnelle Ein- und Auszahlungen. Diese Technologien arbeiten mit verschlüsselten Algorithmen, die jeden Eingriff von außen verhindern. Das gilt auch beim Online-Shopping. Der Pionier und Marktführer Amazon garantiert sicheres Einkaufen, indem nicht nur persönliche Informationen verschlüsselt, sondern auch Kreditkartendaten auf Computern gespeichert werden, die nicht an das Internet angeschlossen sind. Die Nutzung erfolgt ausschließlich über eine firmeneigene Einweg-Schnittstelle. Für alle aktuellen Sicherheitsmaßnahmen bedeuten Quantencomputer jedoch eine Gefahr. Es gilt daher in Zukunft diese neu abzusichern.

Das hoch dotierte Budget sichert die Zukunft der Forschung

Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg. Die Grundlagenforschung läuft zwar auch Hochtouren, doch Experten rechnen damit, dass die ersten voll funktionsfähigen Quantencomputer erst in einigen Jahren am Markt sein werden. Damit es so weit kommt, ist jede Menge Forschung notwendig. Der Europäische Forschungsrat unterstützt daher die Pioniere in dieser Disziplin.

Die sogenannten Starting Grants fördern erfolgreiche Forscher mit hohen Budgets. Der Theoretiker Hannes Pichler kam vor wenigen Jahren aus den USA an die Universität Innsbruck und hier speziell in das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaft. Mit der Förderung wird Pichler seine Forschung auf dem Gebiet der Quanten-Vielteilchenphysik und Quanteninformationsverarbeitung weiter fortsetzen und ausbauen. Sein Erfolg beweist einmal mehr, dass Innsbruck nicht umsonst in die Top 10 der besten „Small Cities“ gewählt wurde. Hier lässt es sich offenbar nicht nur gut leben, sondern auch gut arbeiten.

Die Forschung von Hannes Pichler soll eine neue Plattform für Quantencomputer ermöglichen. Schließlich hat zuletzt ein neuer Ansatz für den Bau von Quantensimulatoren für Furore gesorgt. Dabei werden einzelne Atome gefangen und in unterschiedlichen Strukturen angeordnet. Damit dies gelingt, kommen optische Pinzetten zum Einsatz. Die Atome werden mithilfe eines Lasers manipuliert und in einen neuen Zustand versetzt.

Konkrete Anwendungen sind gefragt

Diesen nennt die Fachwelt Rydbergzustand. Danach sind diese Atome mehrere tausendmal größer als herkömmliche Atome. Damit nicht genug, sind sie jetzt in der Lage über ihr locker gebundenes Elektron mit anderen Rydberg-Atomen zu wirken. Die Forscher können sie in großer Anzahl kontrollieren. Das eröffnet ihnen neue Optionen für den Bau eines Quantencomputers. Schließlich besteht dessen Herausforderung genau darin, die Teilchen so weit zu kontrollieren, dass sie verlässlich bei gleicher Aktion die gleiche Reaktion zeigen.

Hier setzt auch das Forschungsinteresse von Hannes Pichler an. Er forscht an der theoretischen Beschreibung dieser Systeme. Das Geld aus der Förderung wird dazu verwendet, um zu beobachten, wie sich die Eigenschaften der Rydberg-Atome für konkrete Anwendungen von Quantencomputern nutzen lassen. So möchte er beispielsweise Quanten-Vielteilchenphänomene, die gerade erst entdeckt wurden, als Werkzeug für die Erzeugung hochverschränkter Zustände nutzbar machen.

Darüber hinaus will er neue Ansätze für die Implementierung von Quantenalgorithmen erforschen. Diese könnten bei Optimierungsproblemen mit Rydberg-Atomen eingesetzt werden. Pichler und sein Team arbeiten jedoch nicht allein an diesen Herausforderungen, sondern setzen auf die Zusammenarbeit mit führenden experimentellen Labors aus aller Welt. Seine Forschungsergebnisse dienen diesen Partnern als Basis für ihre Experimente, in denen sie die Praxistauglichkeit von Pichlers Theorien unter die Lupe nehmen.