Computer und Netzwerke haben das Leben grundlegend verändert. Doch nach Jahrzehnten rasanter Entwicklung sind die Grenzen dieser Technologie, die bisher mit immer weitergehender Verdichtung von Schaltungen durch immer kleinere Strukturen erfolgreich war, erkennbar. Daher arbeiten Forscherinnen und Forscher verschiedener Fachrichtungen an neuen Ansätzen. Einer davon ist der „Quantencomputer“.
Solche Computer, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen, können absehbar zur Lösung wichtiger Herausforderungen der Zukunft beitragen. Dabei geht es nicht nur um eine weitere Steigerung der Rechenleistung: Quantencomputer können so erst bestimmte Probleme durch ihr deutlich anderes Funktionsprinzip angehen. Darüber hinaus können Quantennetzwerke (Datennetze, die die Gesetze der Quantenmechanik nutzen) erheblich zur schnellen und vor allem inhärent sicheren Kommunikation beitragen.
Die Universitäten in Aachen, Bonn und Köln sowie das Forschungszentrum Jülich wollen mit dem im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder geförderten Exzellenzcluster ML4Q die Quantentechnologie massiv ausbauen. Sprecher des Clusters ist Prof. Dr. Yoichi Ando von der Universität zu Köln. Zwei Teilprojekte in dem Exzellenzcluster werden von theoretischen Physikerinnen und Physikern der HHU betrieben.
Prof. Dr. Dagmar Bruß (Institut für Theoretische Physik III) will unter dem Titel „Multipartite Quantennetzwerke“ erforschen, wie man die Eigenschaften von Quantensystemen nutzen kann, um Vorteile in Netzwerken zu erzielen. Der Vorteil kann hier in der Sicherheit des Datenaustausches liegen sowie in der Robustheit, Schnelligkeit und Komplexität des Netzwerkes. In diesem Zusammenhang sollen in der Arbeitsgruppe um Prof. Bruß grundlegende neue Quanteninformationsprotokolle entwickelt werden, die die sichere Kommunikation mehrerer Parteien beschreiben. Außerdem will sie die Möglichkeiten und Grenzen eines in ML4Q zu entwickelnden experimentellen Quantennetzwerkes analysieren und die Skalierbarkeit von kleinen zu großen Quantennetzwerken erforschen.
Prof. Dr. Reinhold Egger (Institut für Theoretische Physik IV) beschäftigt sich im Exzellenzcluster mit „topologischer Quanteninformationsverarbeitung“. Speziell geht es um sogenannte „Majorana-Fermionen“ als potenzielle Bausteine für quantenmechanische Bits („Qubits“, dies sind die kleinsten Informationseinheiten eines Quantencomputers). Die exotischen Majorana-Teilchen können in speziellen Supraleitern erzeugt werden. Sie treten immer paarweise auf, wobei die beiden Teilchen weit voneinander entfernt sein können. Ein solches Majorana-Paar als Qubit ist durch die räumliche Trennung gegen typische Umgebungseinflüsse geschützt. Während in ML4Q mehrere experimentelle Arbeitsgruppen Majorana-Qubits realisieren wollen, werden Prof. Egger und Kollegen diese theoretisch modellieren und so am Verständnis der geplanten Experimente mitwirken.
Weitere Informationen zum Exzellenzcluster ML4Q: http://ml4q.uni-koeln.de/
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