IAT Science-Cast Folge 05 Quantenphysik mit supraleitenden Schaltkreisen

00:00:02: Wissen

00:00:03: schafft Begeisterung.

00:00:04: Internationale Akademie Traumkirchen.

00:00:07: Guten Tag und herzlich willkommen.

00:00:10: Schön, dass Sie dabei sind.

00:00:12: Im Sinne unseres Motos Wissenschaft-Begeisterung freuen wir uns Ihnen den Vortrag von Prof.

00:00:18: Gerhard Kirchmeier vom XXS.IX.

00:00:23: in der Internationalen Akademie Traunkirchen mit dem Titel, Quantenphysik mit superleitenden Schaltkreisen präsentieren zu können.

00:00:33: Gerhard Kirchmayer ist Professor am Institut für Experimental Physik an der Universität Innsbruck und leitet die Arbeitsgruppe Supra leitende Quantenschaltkreise am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der österreichischen Akademie der Wissenschaften.

00:00:50: Erzählt zu den führenden Quantenphysikern der jüngeren Generation in Österreich.

00:00:55: Die Folien dazu finden Sie online auf unserer Homepage unter akademietraumkirchen.com.

00:01:04: Wir wünschen Ihnen eine spannende und aufschlussreiche Nachhörmöglichkeit.

00:01:09: Ja, herzlich willkommen von meiner Seite und vielen Dank für die Einladung und die Möglichkeit heute hier etwas über meine Forschungsgruppe.

00:01:21: vielleicht generell über die Quantenphysik in Österreich, in Innsbruck zu erzählen.

00:01:27: Wie schon gesagt, ist heuer ein spezielles Jahr für die Quantenphysik.

00:01:33: Hundert Jahre, so plus, minus Quantenphysik.

00:01:36: Deswegen hat die UNESCO eben dieses Jahr der Quantum Science & Technology ausgerufen.

00:01:42: Und das merkt man an den ganzen Veranstaltungen, die jetzt da sind.

00:01:46: Jetzt vielleicht mal ganz am Anfang von dem Vortrag fragt man sich, okay, Quantenphysik.

00:01:51: Was ist denn das?

00:01:52: Womit fangen wir denn an?

00:01:54: Vielleicht fangen wir mal mit dem ersten Boot an.

00:01:56: Was ist denn ein Quant?

00:01:58: Ganz prinzipiell ist ein Quant mal, ich sage immer, ein kleines Paket von irgendwas.

00:02:05: Und irgendwas kann jetzt alles Mögliche sein.

00:02:08: Das können Moleküle, Atome, also die kleinsten Bausteine unserer Materie sein oder eben einzelne Elektronen.

00:02:16: Also letztendlich sind das Pakete von Materie.

00:02:19: Oder es können auch Pakete von Energie sein.

00:02:23: Das Paradebeispiel sind die sogenannten Photonen.

00:02:26: Also Licht besteht aus einzelnen Photonen und im Endeffekt sind es kleine Energiepakete.

00:02:32: Und da sieht man schon gleich eine grundlegende Eigenschaft in der Quantenphysik.

00:02:38: Wir können Teilchen und Wellen haben und wir haben diese Welle Teilchen Dualität, dass wir beides Ja, ein Teilchen aus Welle und eine Welle aus Teilchen beschreiben können.

00:02:50: Das hat der Bräu praktisch damals eingeführt.

00:02:54: Und jetzt gibt es dann außer diesen Sachen noch ein paar andere quantisierte Dinge, zum Beispiel... Phononen, also Festkörperschwingungen, kann man quantisieren in solche Pakete packen.

00:03:10: Oder vielleicht ein bisschen exotischer, sogenannte Kuperpaare.

00:03:14: Das sind zusammengesetzte geparte Elektronen im Superleiter.

00:03:18: Also ganz generell, wenn man sich diese Liste da anschaut, geht es mal in erster Linie auf ersten Blick, mal um die kleinsten Bausteine, die wir denn irgendwo zur Verfügung haben.

00:03:29: So da, wie soll ich sagen, gewissermaßen ein bisschen der Durchbruch war dann irgendwo und dann fast genau vor hundert Jahren von Erwin Schrödinger mit dem Aufstellen der Schrödinger-Ergleichung, die letztendlich die Eigenschaften dieser kleinsten Teilchen richtig beschreibt und eben die Quantenphysik, wenn man so will, ins Leben gerufen hat.

00:03:51: Und gerade da diese Wellenfunktion, das ist praktisch das Kernstück des Ganzen.

00:03:57: Das heißt, diese Quantenphysik braucht man mal ganz prinzipiell, wenn wir die Eigenschaften dieser kleinsten Teilchen beschreiben wollen.

00:04:05: Das geht mit der klassischen Physik, Mechanik, Elektrodynamik, so wie wir sie kennen, geht es nicht.

00:04:10: Wir brauchen eben die Quantentheorie.

00:04:12: Das heißt, wenn wir da Atome haben, wenn die einzelne Gefangeneionen, also im Endeffekt Atom, den wir Elektron geklaut haben, haben, wenn ich Photonen beschreiben will, für all das brauchen wir die Quantentphysik.

00:04:27: Es stellt sich heraus, mittlerweile sind wir Experimentatoren mehr oder weniger so gut geworden, dass man Quantenphysik jetzt nicht nur für so kleine Systeme verwenden müssen, sondern wir müssen sie auch zum Beispiel, da sieht man einen elektrischen Schaltkreis, den ich später noch ein bisschen erklären werde, müssen sie auch für viel größere Systeme verwenden.

00:04:50: Das ist so einige hundert Mikrometer, also das hat schon so, das sieht man schon mit freien Auge tatsächlich.

00:04:55: Das heißt, diese Quantenphysik ist ganz generell, wenn man so will, die derzeit beste Beschreibung, die wir haben, um praktisch, wenn man so will, unsere unbelebte Natur auf kleinen Skalen zu beschreiben.

00:05:10: Diese Beschreibung kommt dann mit ein paar lustigen Phänomenen, die vielleicht jetzt im ersten Blick gar nicht so intuitiv sind.

00:05:21: Also Messungen sind irgendwie seltsam.

00:05:24: Es gibt diese heißenbergische Unschärfe-Relation.

00:05:27: Es gibt Superposition und Verschränkung.

00:05:29: All die Begriffe hat man vielleicht schon gehört.

00:05:32: im Zusammenhang mit Quantenphysik und wir schauen uns jetzt mal ein paar davon gerade so ein bisschen an.

00:05:40: Zum Beispiel, wir haben jetzt das Atom und man hat vielleicht in der Schule gelernt, das Atom besteht aus einem Atomkern und um diesen Atomkern herum sind die Elektronen und das ist im Endeffekt so der Grundbaustein, aus dem alle Elemente aufgebaut sind.

00:05:56: Wenn man sich jetzt die Frage stellt, wo befindet sich denn so ein Elektron rund um das Atom, stellt sich heraus, Das kann ich gar nicht so einfach sagen.

00:06:05: Das ist mal irgendwo nicht auf einem bestimmten Orbital, also das kann ich mir nicht vorstellen wie am Planeten, da um die Eidekreis, das ist eigentlich nicht ganz richtig, sondern das ist irgendwo, so wie ich es da versucht habe zu zeichnen, in so einer Wolke delokalisiert.

00:06:19: Das heißt, irgendwo ist dieser Zustand unschauf und das Ganze ist noch schlimmer.

00:06:24: Ich kann nicht gleichzeitig die Frage beantworten, zum Beispiel, wo ist das Elektron und wie schnell es ist.

00:06:29: Das ist ganz... fundamental in der Quantenphysik nicht möglich.

00:06:34: Das heißt, wir haben diese Unschärfe und wir haben dann noch die Möglichkeit, sogenannte Überlagerungen, Superpositionen zu erzeugen.

00:06:41: Das heißt, wieder an dem Beispiel von diesem Elektron, wir können das Elektron in einem solchen sogenannten Orbital haben, also in einem Zustand um den Atomkern oder in einem anderen Zustand.

00:06:55: Und das ist nicht entweder oder, sondern ich kann das wirklich gleichzeitig haben.

00:07:01: Sprich, wenn man das mal sehr überspitzt formulieren will, ich kann ein Elektron in der Hand haben und ein Elektron in der Hand haben und das ist das gleiche Elektron nur an diesen zwei Oten gleichzeitig.

00:07:13: So große Distanzen schaffen wir jetzt gerade noch nicht, aber Kollegen gerade speziell in Wien sind da wirklich dran, zu zeigen, dass man Moleküle durch zwei verschiedene Spalte durchschicken kann, die wirklich einen großen Abstand haben.

00:07:26: Und das Moleküle fliegt dann durch beide gleichzeitig durch.

00:07:33: Ein weiteres sehr bekanntes Gedankenexperiment ist das Schrödinger-Katzen-Experiment von Schrödinger-Katzen-Katzen-Katzen-Experiment von Schrödinger-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen-Katzen- sogar mehrere Sachen in der Quantenphysik.

00:07:54: Also, wenn man da dieses Original-Paper, also die Original-Publikation sollte ich sagen, von Schrödinger sich anschaut, spricht er von einer Box.

00:08:03: Ich würde da noch das kleine Sternel dazu fügen, eigentlich muss das eine Quantenbox sein.

00:08:08: Was mache ich damit?

00:08:10: Das ist eine Box, wo keine Information nach außen gehen kann.

00:08:14: Da gibt es keine Cable, da funktioniert keine Wärmebildkamera.

00:08:17: Ich kann keine Information irgendeiner Art aus dieser Box herausholen.

00:08:24: Und was dann gilt ist, in dieser gesamten Box gilt die Quantenphysik.

00:08:29: Und in dieser Publikation hat Schrödinger eben davon gesprochen, okay, wir packen da eine Katze rein und eine diabolische Maschine, wie er es damals genannt hat, eine ganz leicht radioaktive Quelle und einen Detektor, der, wenn er ein Röntgenteilchen, das praktisch durch den Zerfall von so einem Atom, praktisch wenn das zerfällt, schickt das einen Röntgen-Teilchen weg und das kann dieser Detektor detektieren, der zerschlägt dann diese Flasche und dann wird diese Katze sterben.

00:09:04: Also das heißt irgendein angeregtes Atom in diesem radioaktiven Material zerfällt und schickt der Photon weg.

00:09:12: Wenn ich jetzt für dieses gesamte System sage, das muss der Quanten für sich gehochen, dann kann ich Den einzigen Zustand, den ich da hinschreiben kann, ist der, dass ich sagen muss, okay, wenn mein Atom zerfallen ist, hat es das Teilchen weggeschickt, dann ist meine Katze tot.

00:09:31: Und gleichzeitig weiß ich ja nicht, ob das passiert ist, das ist ein zufälliger Prozess.

00:09:36: Wenn das nicht passiert ist, ist meine Katze noch im Leben.

00:09:40: Und das ist dieser Schrödinger Katzenzustand.

00:09:42: Letztendlich ist es Schicksal der Katze, ganz eng verknüpft mit dem, was das Atom macht.

00:09:48: Und das nennt man auch so einen verschränkten Zustand, weil die beiden, wenn man so will, direkt miteinander verheiratet sind.

00:09:56: Das heißt, das ist Verschränkung.

00:10:00: Wenn man jetzt dann irgendwann mal sehr neugierig ist und sagt, okay, ich will jetzt wissen, aber was da drinnen passiert, dann kann man eine sogenannte Messung machen.

00:10:08: Das heißt, ich kann im Endeffekt diese Box aufmachen und reinschauen, ist mein Katze tot oder lebendig.

00:10:13: Oder vielleicht baue ich irgendein Apparat, der mir sagt, Ist das Atom noch im angeregten Zustand oder ist es zerfallen?

00:10:22: Ganz egal, welche beiden Teile ich messe, es wird immer so sein, dass wenn immer ihr die Null miss, ist mein Katze tot.

00:10:30: Oder umgekehrt, wenn immer ihr die Katze tot find, ist mein Atom zerfallen.

00:10:34: Das heißt, mit einer fünfzigprozentigen Chance, und das ist wirklich zufällig, entscheidet sich mein System für eine tote oder lebendige Katze.

00:10:45: Das heißt, ganz inherent in dieser Quantenphysik, es ist praktisch eine stochastische Theorie.

00:10:51: Das heißt, der Zufall spielt da, wenn man so will eine gewisse Rolle.

00:10:54: Und, was noch dazukommt, und das ist mir einfach von der klassischen Seite her nicht gewöhnt, meine Messung verändert das System.

00:11:02: Wenn ich jetzt da mit einem Meter statt versuchen würde, die Länge vor dem Tisch zu messen, dann kann ich das mehrmals machen und ich würde immer dasselbe Resultat sehen.

00:11:12: Wenn ich dieses Experiment mehrmals wiederhole, dann kann ich nicht vorhersagen, misse ich meine Katze in einem lebendigen oder in einem toten Zustand.

00:11:20: Ich weiß, ich bekomme einen der beiden, aber welchem kann ich nicht vorhersagen.

00:11:24: Also das heißt, diese Zufälligkeit und eben auch diese Rückwirkung von meiner Messung auf System, sobald ich es gemessen habe, ist es dann so.

00:11:33: Also das sind jetzt noch ein paar dieser, ich soll es sagen, vielleicht etwas seltsame Eigenschaften der Quantenphysik.

00:11:41: und stellt sich raus, die sind dann sogar für was nützlich.

00:11:44: Bevor wir aber dahin kommen, wollte ich mal ganz kurz noch sagen, wo wird Quanten für sich heute eigentlich tatsächlich schon eingesetzt?

00:11:53: in gewisser Weise?

00:11:55: Und Sie alle haben es auch schon wahrscheinlich verwendet.

00:11:59: Jeder, der GPS verwendet auf seinem Handy, das passiert darauf, dass wir Zeit sehr genau messen können, sprich, dass wir Atomuhren haben, Und die Prinzipien dieser Atomuhr sind eben letztendlich durch die Forschung an der Quantenphysik entstanden, die Methoden sind dadurch entstanden und die ermöglichen uns, es eben so genau Zeit zu messen und damit GPS zu realisieren.

00:12:25: Laser, die Beschreibung von einem Laser ist möglich durch die Quantenphysik.

00:12:31: Jeder, der schon mal in so einem Magnet-Resonanz-Domografie entlegen ist, der Grund, warum wir verstehen, wie man Mit Hilfe von solchen Magnetfeldern letztendlich Signale herausholen, die unser Bild geben, ist, weil wir verstanden haben, wie diese Systeme funktionieren.

00:12:48: Vielleicht nicht das Unwichtigste, ein Transistor ist ein elektrisches Bauteil, das in jedem Prozessor drinnen steckt, ist durch klassische Gleichungen beschrieben, aber wenn man sich wirklich die Details anschaut, brauche ich die Quantenphysik, um wirklich zu verstehen, um was es da geht.

00:13:08: Und es wird immer mehr wahr, gerade speziell, wenn man sich da so ein aktuellen Grafen anschaut, wie denn die Größe dieser Transistoren über die letzten, na ja, mehr oder weniger, dreißig Jahre geschrumpft ist, dann sieht man, ja, wir gehen von einigen hundert Nanometern von so typischen Größen in so einem Transistor bis auf heute nur mehr ein paar Nanometer.

00:13:31: Das heißt, es gibt da gewisse Strukturen in diesen Transistoren drinnen, die nur mehr ein paar Atome groß sind.

00:13:40: Das heißt, ganz natürlich werden wir irgendwann, wenn man das nur weiter macht, vielleicht bei einem einzelnen Atomland.

00:13:46: Das heißt, spätestens da, tatsächlich schon wesentlich früher, muss man quantenphysikalische Effekte in Betracht ziehen, um wirklich verstehen zu können, was denn in so einem Transistor passiert.

00:14:00: Da kann man sich dann natürlich erfragen, na ja, was ist denn dann mit meinen Prozessoren?

00:14:05: muss sich da was ändern?

00:14:07: und das stellt sich raus, ja, aber das gibt uns auch dann neue Möglichkeiten.

00:14:13: Das heißt, man hat dann nicht mehr nur klassische Informationsverarbeitung, sondern man kann von sogenannten Quanteninformationsverarbeitung sprechen.

00:14:23: Letztendlich so ein Transistor in einem Prozessor hat keine andere Funktion als er muss zwei Zustände einnehmen können.

00:14:33: Er muss logische Null speichern, er muss logische Eins speichern und letztendlich aus ganz vielen solchen Transistoren, die miteinander reden, wenn man so will, kann man Rechenoperationen machen und letztendlich bricht man aber alles runter auf diese Null und Eins.

00:14:48: Das heißt, genau genommen so ein Transistor ist ein bisschen wie ein Schalter, entweder der Schalter ist unten oder der Schalter ist oben.

00:14:56: Jetzt kann man aber solche Bits auch zu kannten.

00:15:00: Bits machen.

00:15:01: Auf ersten Blick sind die mal nicht so verschieden.

00:15:03: Die haben auch wieder zwei Zustände.

00:15:05: Schalter unten, Schalter oben, Null oder Eins.

00:15:09: Dass das ein Quantenbit ist, markieren wir Physiker immer dadurch, dass wir diese lustigen Klammern da herum setzen.

00:15:17: So ein Quantenbit kann jetzt aber eben, so wie wir es davor schon gehabt haben, nicht nur Null oder Eins sein, sondern beides gleichzeitig.

00:15:25: Das heißt, mein einzelner Schalter kann gleichzeitig in der Position oben und gleichzeitig in der Position oben sein.

00:15:34: Das heißt, wenn ich das jetzt mal weiterspinne auf mehrere solche Quantenbits, machen wir mal drei, weil sonst wird das Ganze ja bis zu unübersichtlich.

00:15:44: Wenn man sich jetzt vorstellt, ich habe jetzt drei solche Quantenbits, dann ist es möglich, dass die mehrere Zustände einnehmen.

00:15:51: Acht sind möglich.

00:15:52: Das heißt, das können alle Null sein.

00:15:55: Das kann das erste ein sein, das zweite ein sein.

00:15:58: Das können zwei ein sein und so weiter, alle möglichen Kombinationen bis alle drei ein sind.

00:16:03: Und mein Quantencomputer kann im Prinzip all diese Zustände gleichzeitig einnehmen.

00:16:09: Das heißt, man kann sich dann schon vorstellen, dass, wenn man das ein bisschen salopp formuliert, kann er mit all diesen Zahlen, wenn man so will, gleichzeitig rechnen.

00:16:18: Da kann man sich schon vorstellen, dass das vielleicht irgendwas besser und schneller macht.

00:16:21: Es stellt sich heraus, dass alleine reicht nicht, sondern man muss also nicht nur diese Überlagerungen ausnutzen, sondern tatsächlich auch diese Verschränkung.

00:16:30: und so ein verschränkter Zustand für drei Quantenbits wird zum Beispiel so ausschauen.

00:16:35: Das ist so ein bisschen ähnlich, wie wir es davor schon bei der Katze und dem Atom gehabt haben, nur dass in dem Fall praktisch, wenn ich da eines dieser Quantenbits misse, ich sofort weiß, was die anderen beiden sind.

00:16:46: die dann genau in diesem Zustand bin.

00:16:50: Das heißt, diese Kombination aus Verschränkungen und Überlagerung lasst mir manche Sachen schneller und besser rechnen, als ist er klassischer Computer.

00:17:01: Was das genau ist, da können wir ein bisschen später noch dazu.

00:17:04: Da gibt es aber ganz nette Beispiele.

00:17:08: Jetzt haben wir mal gesagt, okay, wir haben so ein Quantenbitt.

00:17:10: Jetzt ist die Frage, okay, wie realisiert man sowas?

00:17:13: Ja, das heißt... Im Endeffekt kann man jetzt da so eine kleine Wunschliste hinschreiben, was sind denn die Anforderungen, die ich habe?

00:17:20: Letztendlich muss ich Informationen speichern können.

00:17:24: Stellt sich raus, im Endeffekt heißt es, ich brauche einen Energiespeicher.

00:17:28: Das heißt, ich brauche irgendein System, das Energie speichern kann und diese Energie, die soll es möglichst nicht verlieren.

00:17:36: Das heißt, ich muss dafür sorgen, dass mein System so abgeschlossen ist, dass es diese Energie nicht verliert.

00:17:44: braucht man noch eine Box.

00:17:47: Das heißt, das ist wieder diese Box, die wir schon bei der Schrödinger als Katze gehabt haben.

00:17:51: Ich muss verhindern, dass irgendwer von außen an Migrantensystem ran kommt und Ermessung machen kann.

00:17:59: Und dieses irgendwer ist ganz fundamental.

00:18:04: Ich muss es dann Natur verbieten, dass sie irgendwas über Migrantensystem leihen kann, weil sonst könnte die Natur die Messung durchführen.

00:18:11: Das heißt, ich muss eine sehr gute Box bauen.

00:18:14: und es stellt sich heraus, wenn Sie sich jetzt Quantenphysik-Experimente anschauen, so eine Box findet man überall.

00:18:21: Man muss vielleicht ein bisschen genauer schauen, es schaut nicht immer wie eine richtige Box aus, aber es ist immer was da, dass man praktisch diesen Eingriff verhindert.

00:18:31: Dann muss ich natürlich irgendwie Rechenoperationen machen können auf meinen Quantenbits, ganz analog wie bei meinem klassischen Computer.

00:18:39: Das heißt, ich muss meinen Quantenbitt in den Zustand einsbringen können.

00:18:43: Ich muss diese Überlagerungen erzeugen können.

00:18:45: Ich muss diese Quantenbits miteinander reden lassen, damit die Rechenoperationen machen kann.

00:18:51: Das endlich muss ich das ganze System kontrollieren können.

00:18:54: Und am Schluss muss ich natürlich das Ergebnis von meiner Rechnung messen können.

00:19:00: Das heißt, ich muss irgendwie eine Möglichkeit haben, jetzt gezielt sagen, okay, jetzt mache ich mein Messer.

00:19:08: Stellt sich raus, es gibt mittlerweile einige Systeme, mit denen man all diese Punkte erfüllen kann und wir haben in Österreich über die verschiedenen Unis und Institute verteilt so grob gesagt ungefähr vier verschiedene Plattformen.

00:19:24: Das sind da auf der linken Seite mehr oder weniger Atome, entweder sind geladene Atome in sogenannten Jonenfallen oder es sind Atome, die in Lichtgittern zum Beispiel gefangen werden.

00:19:39: Oder es gibt fotonische Quantencomputer, wo ich wirklich einzelne Fotonen dazu verwende.

00:19:45: Oder meine Arbeitsgruppe sind sogenannte superleitende Schaltkreise.

00:19:51: Mit all diesen Systemen, und es gibt international sogar noch ein paar mehr, kann man so ein Quantenbit, so einen Quantenprozess tatsächlich realisieren.

00:20:05: Über die drei Systeme werde ich jetzt nicht so viel erzählen.

00:20:10: Das wird den Rahmen von heute mehr aussprengen.

00:20:13: Ich versuche mal so ein bisschen zu erklären, wie wir elektrische Schaltkreise letztendlich so realisieren, dass wir den Quanteneffekten entlocken, letztendlich Kubits bauen.

00:20:25: Also wie baut man einen Quantenprozessor?

00:20:27: Und da sieht man schon einen von uns tatsächlich in einer Aufnahme.

00:20:31: Also das Ding ist in dem Fall so etwas wie fünfzehn mal fünfzehn Millimeter.

00:20:37: Also und das jedes Jahr ist erkannt.

00:20:41: Wenn wir jetzt durch unsere Liste durchgehen, habe ich gesagt, okay, wir müssen Energie speichern können.

00:20:45: Das heißt, wir müssen mal zuerst irgendwas haben, dass wir dafür sorgen, wir verlieren keine Energie.

00:20:51: Für elektrische Schaltkreise heißt es, wir müssen irgendwie so dafür sorgen, dass wir perfekte elektrische Leiter bekommen.

00:20:57: Wir wollen keine Verluste.

00:20:59: Und dazu bedienen wir uns sogenannte Superleiter.

00:21:02: Superleitung ist ein über hundert Jahre altes Phänomen.

00:21:07: Er hat im Endeffekt gesehen, dass wenn ich das Metall sehr weit abkühle, in dem Fall unter vier Komma zwei Kelvin, dann verliert es jeden elektrischen Widerstand.

00:21:20: Es wird zum perfekten Leiter.

00:21:22: Sprich, wenn ich da irgendwie Energie reinpack.

00:21:25: dann verschwindet die nicht, so ein Strom fließt in so einem Superleiter für immer.

00:21:29: Was da passiert ist, dass in einem normalen Metall Stromtransport durch sich bewegende Elektronen mehr oder weniger passiert.

00:21:40: In so einem Superleiter sind es aber dann keine einzelnen Elektronen mehr, sondern diese Elektronen verheiraten sich zu den Kuperpaaren, die ich schon mal erwähnt habe.

00:21:49: Und diese Kuperpaare können dann durch diesen Festkörper komplett verlustfrei durchfliegen.

00:21:56: So, ein Supra-Leiter stellt sich raus, ist gar nicht was ganz Besonderes.

00:22:01: Jeder von ihnen hat wahrscheinlich an der Heim, wenn eine Kohle Dose im Kühlschrank stehen hat.

00:22:06: Kohle Dosen Aluminium ist ein perfekter Supra-Leiter.

00:22:10: Muss ich nur unter einen Kälvin abkühlen.

00:22:15: Gibt noch ganz viele andere Metalle, Neop, Quecksilver und so weiter.

00:22:18: Fast alle ist irgendwie im Periodensystem, wenn man es nur richtig behandelt wird.

00:22:23: zum Supra-Leiter, wenn es nur genügend kalt ist.

00:22:26: Temperatur unter am Kälvien klingt sehr kalt, ist es auch in gewisser Weise, aber ich sage so, ein Kühlschrank, der das kann, den kann man mittlerweile von der Stange kaufen.

00:22:38: Das gibt es Firmen, die sowas herstellen und die stellen wir uns in die Labor aus.

00:22:43: Okay, das heißt, wir verwenden Superleiter, um jeden Energieverlust auszuschalten.

00:22:48: Jetzt müssen wir uns aber irgendwie diesen Speicher bauen.

00:22:51: Und der Speicher dafür haben wir ein ganz besonderes elektronisches, elektrisches Element, das ist das sogenannte Josephson Contact.

00:23:02: Der ist im Endeffekt ein Stück Aluminium, eine ganz dünne Oxidschicht, also ein Isolator und dann nochmal ein Stück Aluminium.

00:23:12: Diese Oxidschicht ist sehr dünn, nur an einer Metatik, also die muss man sehr gut kontrollieren.

00:23:18: und wenn man sich das jetzt anschaut, dann wenn man mal Da kurz drüber nachdenkt, das ist ein Isolator.

00:23:25: Das heißt, normalerweise, wenn ich da irgendwie Strom drüber schicken will, würden wir erwarten, na ja, entweder es funktioniert gar nicht oder im besten Fall würde ich da irgendwie elektrischen Widerstand vermuten.

00:23:36: Stellt sich heraus, wenn das Aluminium Supra leitend wird, dann können solche Kuperpaare durch diese Barriere komplett verlustfrei durch Tunnel nennt man das, das ist ein weiterer Quanteneffekt.

00:23:53: ohne irgendwelche Verluste.

00:23:54: Das heißt, ich kann, wenn ich ihnen nur genug Energie gibt, so ein Kupapar von der Linken auf die rechte Seite heben.

00:24:00: Und das ist jetzt die Grundlage für mein Kantenbild.

00:24:03: Das heißt, mein Zustand null ist jetzt Zehntausend, so Kupapare auf der linken Seite und Zehntausend auf der rechten.

00:24:11: Jetzt nicht an der tatsächlichen Zahl aufhängen.

00:24:15: Es sind natürlich ganz viel, viel mehr.

00:24:16: Es sind irgendwie zehn nach acht, je nachdem, wie groß diese Struktur ist, aber nur mal um es zu veranschaulichen.

00:24:23: Das heißt, das definieren wir aus meinem Zustand Null.

00:24:26: Und dann kann ich Mikrowellensignale reinschicken, so am Kuperpaar gewisse Energie geben und es da auf diese andere Seite rüberheben.

00:24:35: Das heißt, ich habe genau ein Energiequant da drinnen gepackt und jetzt habe ich ja, neuntausend, neunhundert, neunneunzig Kuperpaare auf der linken Seite und zehntausend und eines auf der rechten Seite.

00:24:48: Und das ist jetzt mein Zustand eins.

00:24:50: und mit Hilfe dieser Mikrowelle-Habit praktisch diesen Zustand kontrollieren können.

00:24:55: Sprich, ich habe auch einen Zustand erreichen können, wo mein Cooperpaar gleichzeitig auf der linken Seite und rechten Seite, sprich, ich kann genau diese Überlagerungen meines kannten Zustands realisieren.

00:25:09: Dieser Josephson-Kontakt ist jetzt nichts Theoretisches, den können wir tatsächlich bauen bei uns im Rheinraum.

00:25:17: Der schaut dann nicht so, schöne Blöcke nebeneinander.

00:25:21: Der schaut nicht ganz so aus, sondern tatsächlich ist es ein dünner Aluminiumfilm, der z.B.

00:25:31: Lithiumwave verlegt, dann eine ganz dünne Oxidschicht und ein zweiter Aluminiumfilm dann oben drauf.

00:25:38: Da auf der rechten Seite sieht man das Bild von einem elektronischen Mikroskop.

00:25:42: Das heißt, man hat einen im Blau einen Film, das ist z.B.

00:25:46: die linke Seite, und einen Orangenfilm oben drüber mit einer... Oxidschicht dazwischen, das wäre die rechte Seite.

00:25:53: Und man sieht schon, die Strukturen sind sehr klein, so was wie zweihundert Nanometer, dass man das vielleicht im Verhältnis vorstellt, so eine typische Haares-Dicke, das wären so ein paar hundert Mikrometer, also tausendmal größer.

00:26:06: Also auf demselben Bild wäre ein Haar irgendwie wahrscheinlich mehr als der Raum.

00:26:12: Und dieser Josephson Kontakt ist letztendlich die Frage für superleitende Quanten.

00:26:18: Das heißt, ein Teil von unserem kannten Prozessor schaut in etwa so aus.

00:26:24: Genau da, wo ich den roten Kreis rumgemacht habe, sind in diesem Fall zwei solche Josephson Kontakte und dieses Kreuz da zusammen mit den Kontakten.

00:26:33: Das macht mein Quantenbitt.

00:26:34: Das heißt, genau da drinnen, da pack ich eines meiner Cooper-Pare für diesen Zustand eins.

00:26:41: Dann sieht man auch so in verschiedenen Farben aus und rum.

00:26:45: Das grüneingefärbte ist eine Leitung, die verbindet praktisch dieses Quantenbitt mit einem anderen Quantenbitt irgendwo am Prozessor.

00:26:53: Das ist eine Kontrolleitung für dieses Quantenbitt und die Leitung ist ein Messleitung.

00:26:58: Das heißt, damit habe ich dann alle Bausteine, die ich brauche, um dieses Quantenbitt zu kontrollieren, Gata-Operationen zu machen und auszulehnen.

00:27:07: Das Ganze wird dann, wie gesagt, in ein Kiosk datengepackt, in unserem Fall unter hundert Millikelben abgekühlt und Man sieht auch die Box, da irgendwie so in Braun, dieses ganze, das ist auch zusätzliches Metall.

00:27:23: Und das ist im Endeffekt, mein Box, die verhindert, dass jemand ungewollt oder dass die Natur ungewollt von außen hergehen kann, untermessen kann.

00:27:31: Die versteckt, wenn man so will, dieses Quantenbitt vor externen Einflüssen.

00:27:38: Diese Strukturen... hat man schon gesehen, diese Josephson Kontakte sind sehr klein, aber auch hundert Nanometer.

00:27:45: Das heißt, die können wir nicht einfach mal so schnell irgendwo machen.

00:27:49: Dafür hat es einen Rheinraum bei uns in Innsbruck gebraucht.

00:27:54: Den haben wir in den Betrieb im Betrieb genommen, damals aus Mitteln vom damaligen Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung.

00:28:06: Und mittlerweile ist da natürlich ganz viel Geld von EU und FFG und sonstigen Förder praktisch reingegangen.

00:28:13: Und ganz prinzipiell war es nur deshalb möglich, weil wir die Zusammenarbeit zwischen Uni, Innsbruck und Akademie der Wissenschaften praktisch bei uns am Institutverein haben können.

00:28:24: Sonst wäre so was gar nicht möglich gewesen.

00:28:26: Das heißt, all diese Maschinen, die wir dazu brauchen, diese kleinen Strukturen herzustellen, haben wir jetzt da praktisch zur Verfügung.

00:28:35: Die erlauben uns eben so einen Quantenprozessor, wie ich ihn davor schon mal gezeigt habe, herzustellen.

00:28:41: Das heißt, dieses eingefärbte Bild, das war eines dieser Quantenbits, wahrscheinlich eines von denen in der Herunten.

00:28:48: Und da sieht man insgesamt acht Stück mit einer Leitung, die praktisch alle verbindet.

00:28:53: Jedes hat Kontrolleitungen.

00:28:55: Im Endeffekt ist das ein kleiner acht-Cubit Quantenprozessor.

00:29:01: Wenn man so will, ein elektrischer Schaltkreis, den wir dann in einen unserer kalten Kühlschränke packen, auf ungefähr, ja, bis sie unter und unter Millikelvin abkühlen und dann mit Mikrowellen-Signalen kontrollieren können.

00:29:14: Ja, vielleicht ganz kurz.

00:29:16: Wie schaut denn das aus?

00:29:17: Wie lange können solche Quantenbits denn so Quanteninformationen speichern?

00:29:22: Das erste Superleiter in der Quantenbit, das ist ungefähr, ja, auf fünf oder zwanzig Jahre her, das hat noch Speicherzeiten von ein paar wenigen Nanosekunden gehabt.

00:29:32: Also das war gerade und gerade irgendwie zu kontrollieren, mit auslachen.

00:29:39: Wenn man sich anschaut, was es denn für Probleme gibt, die man mit Computern lösen kann, dann kann man die kategorisieren.

00:29:49: Und ich habe das jetzt mal ein bisschen anders gemacht, ich habe die mal in... leichte Probleme eingeteilt, multiplizieren, addieren, Datenbank suchen und so weiter.

00:29:58: Das können wir alles von Hand und das können Computer, wie wir sie heute haben, auch sehr, sehr gut und sehr, sehr schnell.

00:30:05: Es gibt dann so ein bisschen schwierigere Probleme.

00:30:09: Das wäre zum Beispiel Faktorisieren, also große Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen.

00:30:14: Es gibt dann sehr schwierige Probleme.

00:30:17: stellt sich raus, da fallen Sachen wie Proteinfaltung, also ich sage mal Medizin und Chemie Probleme darunter, das Traveling Salesman Problem, das ich gleich noch erkläre, weil das sehr anschaulich ist, oder auch einmal Enzoudoko.

00:30:30: Stellt sich raus, klassische Computer können die Sachen lösen, aber sie sind nicht besonders schnell und besonders effizient.

00:30:39: Es stellt sich raus, so ein Quantencomputer kann nicht all diese Probleme sehr gut lösen, aber so manche.

00:30:46: Bei denen würde ich mal behaupten, ist das uninteressant.

00:30:48: Klassische Computer sind so gut, gibt keinen Grund, die durch Quantencomputer zu ersetzen.

00:30:53: Aber es gibt manche Probleme, was dann sehr interessant wird, weil wir viel schneller sein können.

00:31:00: Leider gibt es auch noch Probleme da ganz oben, wo wir wissen, da ist ein Quantencomputer nicht schneller und wo wir nicht wissen, wie die dann tatsächlich so ganz genau funktionieren.

00:31:13: Ich lasse es mal dabei.

00:31:14: Stellt sich raus, man könnte das Ganze auch noch richtig machen, mit den richtigen Begriffen, aber ich glaube, das lassen wir mal weg.

00:31:22: Dieses Traveling-Salesman-Problem finde ich eigentlich so anschaulichsten Probleme, warum den erkannten Computer vielleicht helfen könnte.

00:31:32: Letztendlich, Problem kennt jeder, oder wir sind vielleicht auf der anderen Seite von dem Problem.

00:31:38: DHL-Fahrer kriegt in der Früh sein Liste.

00:31:41: Bitte diese Pakete an all diese Adressen so schnell als möglich.

00:31:47: Wenn diese Liste aus, das ist jetzt ein Stadtplan von Innsbruck, wenn diese Liste aus drei Adressen besteht, dann kann ich mir wahrscheinlich von Hand sogar irgendwo die schnellste Route dazwischen überlegen.

00:31:58: Das ist vielleicht jetzt irgendwie mit Hand eingezeichnet, vielleicht irgendwie so.

00:32:05: Ja, vielleicht ist das noch nicht das Optimum, dann probiere ich noch vielleicht ein paar außen rum.

00:32:10: Irgendeine davon, ja, wird dann die richtige sein.

00:32:14: Wenn ich jetzt aber dann anfange, mit reinzugeben, wie viel Verkehr ist tatsächlich da, wirklich Tagesaktuell, wie viele Ampeln gibt es, gibt es Einbahnen und so weiter und so fort, wie ist das Wetter, kann man sich vorstellen, dass dieser Optimierungsprozess diesen kürzesten Weg finden gar nicht mehr so einfach ist.

00:32:35: Für diese drei wird es wahrscheinlich immer noch gehen, aber dann machen wir jetzt irgendwie zwanzig draus, dann finde ich vielleicht auch so eine Lösung, aber dann wird es so schwierig.

00:32:44: Und es stellt sich heraus, ein klassischer Computer kann auch nicht viel mehr als schlaues ausprobieren.

00:32:53: Das heißt, er kann auch all diese Wege, so mehr oder weniger, einen nach dem anderen testen und dann sagen, ich glaube, ich habe jetzt den gefunden, der der effizienteste ist, der der schnellste ist.

00:33:07: Aber vielleicht ist das Problem so groß, dass er gar nicht alle ausprobieren kann.

00:33:13: Und genau da kommt jetzt der Vorteil eines Quantencomputers im Spiel.

00:33:18: Ein Quantencomputer kann alle Wege gleichzeitig ausprobieren.

00:33:22: Und wenn ich meinen Quantenalgorithmus am Ende richtig gebaut habe, dann bleibt der übrig, der energetisch am effizientesten ist.

00:33:30: Sprich der der schnellste ist, der vielleicht der ist, der am wenigsten Benzin braucht oder was er immer in das Problem reingepackt hat.

00:33:37: Das heißt, durch dieses, ich kann alle gleichzeitig ausprobieren, kann ein Quantencomputer das ganze schneller machen.

00:33:44: Und dieses, was nach einem sehr speziellen Problem klingt, stellt sich raus, lasst sich auf ganz allgemeine Sachen wie Ich optimiere meinen Flugverkehr, meinen Bahnverkehr generelle Logistikprobleme und Optimierungsprobleme abbilden.

00:34:00: Das heißt, es schlägt ein sehr großes und relevantes, relevanten Bereich an Problemen.

00:34:09: So ein nächster Punkt, wo ein Quantencomputer sehr gut ist, ist für Quantensimulation.

00:34:17: Das ist in gewisser Weise analog zu einem klassischen Computer.

00:34:21: Wenn man sich vorstellt, Heutzutage, ja, ich will ein Auto möglichst windschnittig bauen, gerade mit modernen E-Autos.

00:34:30: Die wenigsten Hersteller machen da tatsächlich noch Windtunnel-Tests, sondern die haben ihre numerischen Programme, wo sie irgendwelche Fluid-Simulationen machen können und die Autos schon im Vorhinein einfach am Computer soweit optimieren, das kann aufwendigen Tests mehr zu machen sind.

00:34:49: Und ganz ähnlich ist es mit diesem kannten Computer.

00:34:51: Letztendlich geht es darum, ich baue ein gut kontrollierbares Quantensystem, mit dem ich andere Quantensysteme simulieren kann, weil das extrem schwierig ist mit einem klassischen Computer.

00:35:03: Es gibt einige Probleme in der Physik, zum Beispiel Hoch-Temperatur-Superleiter.

00:35:08: Wir wissen, dass es sie gibt, aber wir verstehen nicht wie so.

00:35:12: Wir haben keine Theorie, keine genauen Mechanismus, warum die Dinge überhaupt funktionieren sollten.

00:35:18: Oder Quantenchemie.

00:35:20: Also letztendlich, wenn ich mir ausrechnen will, wie denn so Moleküle Reaktionen miteinander machen, das kann ich auf einem klassischen Computer nur mit ganz bestimmten Näherungen machen.

00:35:34: Woher kommt das?

00:35:35: Das lasse ich recht leicht zeigen.

00:35:38: Wenn ich sage, okay, ich will mit einem klassischen Computer ein Quantensystem von dreihundert Teilchen simulieren.

00:35:45: Das wäre so ein mittelgroßes Biomolekül.

00:35:50: Wenn man sich da nur den Speicherplatz, und ich rede jetzt noch nicht einmal von, wie lange ich bräuchte, um das auszurechnen, nur den Speicherplatz anschaut, stellt sich raus, ich muss zwei hoch dreihundert Zahlen speichern, dafür bräuchte ich zehn hoch neunzig bits.

00:36:05: Die Zahl ist jetzt, also ich kann mir drunter nichts vorstellen, aber vielleicht, wie man es veranschaulichen kann, ist zu sagen, na ja, im gesamten Universum haben wir sowas wie zehn hoch achtzig Atome.

00:36:16: Ja, das heißt, uns fehlen da irgendwo zehn Größenordnung.

00:36:19: Sprich selbst, wenn ich jedes Atom im Universum als Speicher, als klassisches Bit verwenden würde, wäre ich noch lange nicht da.

00:36:27: Das heißt, solche Probleme kann ich ganz fundamental auf einem klassischen Computer einfach nicht lösen.

00:36:33: Auf einem Quantencomputer, wenn ich alles richtig gemacht habe, brauche ich sowas wie drei Hundert Quantenbits.

00:36:40: Da kann vielleicht irgendwie nur ein Multiplikator stehen, je nachdem wie kompliziert das Problem ist, aber größtenordnung einige hundert anstatt zehn nach achtzig.

00:36:51: Das heißt, wenn ich mir Energien von Molekülen ausrechnen will, von Reaktionen ausrechnen will, dann kann das der Kantoncomputer einfach viel schneller.

00:37:02: Wenn man sich das klassisch anschaut für so kleine Moleküle auf einem Laptop zu quasi CH-IV, geht in einer Sekunde, C-II-H-VI brauche ich schon zehn Minuten, C-III-H-III brauche ich zehn Tage.

00:37:14: Ja, wenn ich jetzt wirklich Laptop nehme.

00:37:16: Auf dem Supercomputer bin ich entsprechend schneller, aber das ist jetzt noch kein großes Biomoleküle.

00:37:21: Es ist nichts, was relevant ist für Medizin, für Medikamente und so weiter.

00:37:26: Das heißt, um irgendwelche Reaktionsraten von größeren Molekülen auszurechnen, exakt, kann ich das auf einem klassischen Computer gar nicht machen.

00:37:36: Da habe ich dann so eine die sich ein ganz kleines Babymolekül, H. II, also das kleinste, was man irgendwie machen kann, ausgerechnet hat.

00:37:46: Mittlerweile gibt es aktuelle Sachen, wo sie sich schon größere Moleküle anschauen.

00:37:50: Und das hat im Potenzial, dass man da wirklich der Medikamentenforschung und so weiter hilft, letztendlich aufwendige Experimente abzukürzen, indem ich praktisch diese Rechnungen am Kantencomputer habe.

00:38:04: So ein ähnliches Problem ist das sogenannte Habaposchverfahren.

00:38:08: Das dient zur Düngemittelherstellung.

00:38:10: Im Endeffekt ist das ein Prozess, um Stickstoff herzustellen.

00:38:15: Der ist extrem energetisch aufwendig.

00:38:18: Da brauche ich sowas wie zwei Hundert Paar Druck.

00:38:20: Ich brauche hohe Temperaturen.

00:38:23: Interessanterweise, das braucht ein Prozent des gesamten Energieverbrauchs der Erde.

00:38:29: Das ist eine ziemlich ordentliche Zahl.

00:38:31: Nur um Düngemittel herzustellen.

00:38:35: Wir wissen aber, es geht effizienter.

00:38:38: Die Natur macht es uns vor.

00:38:40: Es gibt im Endeffekt, wenn man sich, wenn man so will diesen Stickstoffkreislauf anschaut, letztendlich im Komposthaufen, der stellt man dünge Mittel her.

00:38:51: Das geht viel effizienter.

00:38:52: Die brauchen keine hohen Temperaturen, die brauchen keine hohen Drücke.

00:38:56: Das heißt, irgendwie muss es gehen.

00:38:57: Wir haben nur im Moment keine Formel, keine... wie soll ich sagen, keine Methode, wie das funktioniert.

00:39:06: Aber es gibt Vorschläge, wie man das mit einem, naja, Quantensimulator, der allerdings perfekt funktionieren muss, von ein paar hundert Kubits ausrechnen könnte.

00:39:17: Es gibt auch noch ein paar ähnliche Beispiele, aber das sind meiner Meinung nach so die anschaulichsten.

00:39:24: Vielleicht die Frage vorweg, weil ich die eigentlich immer wieder mal bekomme.

00:39:27: Quantencomputer, wann gibt's denn einen?

00:39:30: Na ja, das ist, glaube ich, meine Antwort ist immer, Vielleicht schaff ich es vorher, mir ein Kristallkugel zu bauen, dann weiß ich, wann es ihn gibt.

00:39:39: Aber vielleicht ganz so schlimm ist es nicht da, aber so oder so ähnlich.

00:39:43: In gewisser Weise ist Quantentechnologie schon im Einsatz.

00:39:46: Wie ich schon gesagt, Atomuhren sind ein Beispiel, aber auch es gibt schon Quantenkommunikation.

00:39:53: Sprich, ich kann Quantensysteme dazu verwenden, um hundertprozentig sichere Übertragung von einen Partner zum anderen zu gewährleisten.

00:40:05: Und es stellt sich heraus, das ist sogar dann nur sicher, wenn ich sage, naja, mein Gegner hat keine, wie auch immer, technische Limitierung, der kann alles machen, was nur möglich ist.

00:40:15: Das einzige, er muss sich auch an die Kanten für sich halten.

00:40:18: Und dann stellt sich heraus, selbst unter diesem Szenario kann ich noch hundertprozentige, sichere Übertragung gewährleisten.

00:40:24: Und es gibt tatsächlich auch die Firmen, die solche Geräte schon verkaufen.

00:40:28: Auch in der Metrologie, in der Medizin, es gibt mittlerweile Quantensysteme, die werden an einzelnen Zellen getestet, wo man wirklich einen Sensor in eine Zelle packen kann und Eigenschaften der Zelle messen kann.

00:40:41: Das heißt, da ist Quantenphysik schon immer mehr am Kommen.

00:40:45: Ich denke so, das erste, was wirklich passieren wird sind diese Quantensimulatoren, die ich kurz vorgestellt habe.

00:40:51: Das gibt es in kleinem Maus schon jetzt, da ist man gerade am Hochskalieren, so richtig Quantencomputer.

00:40:58: die man so ein Traveling-Salesman-Problem wirklich lösen könnten, so langsam.

00:41:05: Einige Hundert Kanten-Bits sind schon möglich.

00:41:08: IBM verwendet z.B.

00:41:09: genau so eine superleitende Qubit-Technologie, um ihre Kantencomputer zu bauen.

00:41:14: Die haben da auch eine Roadmap, die man nachlesen kann, was sie dann alles bis zu dreiunddreißig realisieren können.

00:41:22: Wenn man dem glaubt, würde man sagen, in den nächsten zehn Jahren.

00:41:27: Ich glaube, ganz so einfach ist es dann nicht da.

00:41:30: Nichtsdestotrotz sieht man gerade im Moment, das Interesse ist immens.

00:41:36: Alle möglichen großen Firmen von IBM über Google und Start-ups haben ihre eigenen Forschungsprogramme in Richtung, wie Bartmann-Quanten-Komplutter.

00:41:47: Das sind jetzt alles Beispiele aus den USA.

00:41:50: Wir haben aber genauso viele in Europa.

00:41:53: Zum Beispiel IQM ist in München und Finnland, aber nicht nur in Europa.

00:41:57: Wir haben das auch in Österreich.

00:42:00: Und ich habe jetzt einmal zwei Beispiele aus Innsbruck hingeschrieben.

00:42:04: Das ist AKT, die bauen einen Alpine Quantum Technologies, die bauen einen Ionen-Fallenquantencomputer.

00:42:11: Und das Ding kann man auch tatsächlich kaufen.

00:42:14: Und ParityQC ist ... Softwarefirma, die sich anschaut, wie man den kannten Algorithmen auf seiner kannten Hardware tatsächlich baut und entwickelt.

00:42:24: Vielleicht auch ganz interessant, wer mal selber an kannten Computer bedienen will.

00:42:28: IBM hat seinen kannten Computer in der Cloud und stellt den auch jedem zur Verfügung.

00:42:33: Ja, die kleinsten recht alten Modelle muss man dazu sagen, aber so ein bisschen spielen, damit kann man tatsächlich schon.

00:42:43: Okay, wie bin ich denn zeitmäßig?

00:42:46: Da bin ich ja gar nicht so schlecht am Weg.

00:42:53: Also, Quantencomputer, wir sind am Weg, Interesse ist immens, tatsächliche Quantentechnologien werden immer interessanter und eben gerade so in der Medizinforschung gibt es tatsächlich auch schon aus der Anwendung.

00:43:13: Am Schluss vom Vortrag wollte ich vielleicht nochmal so irgendwie eine Tour auf diese Schrödingerkatze.

00:43:18: Gerade weil das so das eigentlich parade Beispiel der Quantenphysik ist, das immer wieder und immer wieder zitiert wird.

00:43:25: Und man fragt sich, naja, ist das jetzt nur ein Gedankenexperiment oder kann man das im Experiment tatsächlich machen?

00:43:31: Stellt sich heraus, ja, wir können das.

00:43:34: Wir können solche Schrödingerkatzen realisieren.

00:43:37: Wir machen keine Experimente mit echten Katzen.

00:43:41: Alles in meinem Fall nur elektrische Schaltkreise.

00:43:45: Warum sind diese Schrödinger Katzen jetzt für uns interessant?

00:43:48: Wenn ich noch mal zurückgehe auf diesen Grafen, den ich hergezeigt habe, wie sich dann diese Speicherzeiten verändert haben und man eben diese, was sind es denn, acht Größenordnungen über oder sieben Größenordnungen über den letzten fünf oder zwanzig Jahre gewonnen haben, dann stellt sich heraus dieses beste Quantenbit der Heroben ist jetzt quasi ein Quantenbit, wie ich es hergezeigt habe, sondern das ist ein sogenannte Mikrowellenresonator.

00:44:15: Im Endeffekt hat jeder so etwas Ähnliches in seiner Mikrowelle tatsächlich drinnen, mit dem praktisch die Mikrowellenstrahlung erzeugt wird.

00:44:24: Wir verwenden da ein bisschen abgewandelte Version als Quantenspeicher.

00:44:28: Und das stellt sich raus, dieses Das ist jetzt in dem Fall aufgeschnitten worden, aber da herinnen kann man Mikrowellenenergie speichern und sehr gut, sehr lange speichern.

00:44:40: Einige zehn, hundert Millisekunden.

00:44:43: Und es stellt sich raus, in diesem Resonator kann ich so eine Schrödinger Katze herstellen.

00:44:50: Und diese Schrödinger Katze hast im Endeffekt einfach mein elektrisches Feld, das da herinnen lebt, meine Mikrowellenstrahlung, nimmt gleichzeitig zwei Zustände ein.

00:45:00: Ich versuche das jetzt mal ein bisschen zu veranschaulichen, wie wir das machen.

00:45:03: Letztendlich sind es nur ein paar bunte Bilder, aber man sieht schon so vielleicht ungefähr, was passiert.

00:45:11: Was ich da jetzt herzeige, ist einmal dieser zweidimensionale Raum, wo praktisch da in Bund der Zustand von dem Resonator gezeichnet ist.

00:45:23: Das heißt, jeder Punkt, da ist der Zustand im Resonator oder jede.

00:45:28: Punkt Wolke, sollte ich sagen.

00:45:29: Und dann in Farbe mache ich noch dazu den Zustand von am tatsächlichen Quantenbiet, das genau zwei Zustände einnehmen kann.

00:45:38: Und jetzt kann ich eben Quanteninformation, die ihr in diesem Qubit lebt, auf diesen Resonator schreiben.

00:45:44: Das heißt, ich fange mal an.

00:45:46: Ich pack meine Quanteninformation rein in mein Qubit.

00:45:49: Ja, das ist die Farbänderung.

00:45:52: Dann passiert was?

00:45:54: Dann fangen sich da irgendwie zwei Zustände an, voneinander zu trennen und vielleicht da sieht man, naja, okay, ich habe irgendwie ein Resonator in dem Zustand da herüben und auch gleichzeitig da auf der anderen Seite und das ist irgendwie wieder verheiratet mit meinem Kantonbild.

00:46:14: In dem Moment habe ich wieder meinen verschränkten Zustand erzeugt und das ist die Grundlage, um diese kannten Informationen vom Kantenbit in den Resonator zu schreiben, weil ich kann jetzt weitere Operationen machen, das heißt weitere Bewegungen in diesem Raum und was dann letztendlich übrig bleibt ist meine zwei Zustände da im Resonator, aber mein Kantenbit ist in der Null.

00:46:39: Und das stellt sich raus, in dem Moment habe ich meine gesamte Quanteninformation vom Quantenbit in diesen Resonator geschrieben, in so eine Schrödinger Katze.

00:46:47: Das heißt, mein Null und Eins von Quantenbit ist in Tod und Lebendig meiner Katze.

00:46:53: Sprich, in dem Fall habe ich gleichzeitig zwar verschiedene elektromagnetische Felder, Mikrowellenfelder in meinem Resonator gespeichert.

00:47:03: Mit dem Bild stellt sich raus, das könnte tatsächlich auch was Klassisches sein.

00:47:09: Man kann aber auch andere Messungen machen und das ist dann vielleicht das Bild, was man von einer Schrödinger Katze schon mal gesehen hat.

00:47:16: Es gibt diese Interferenzstreifen.

00:47:18: Das heißt, ich habe da links, in dem Fall habe ich es umgedreht, meine lebendige Katze, da meine tote Katze, aber dass das tatsächlich gleichzeitig in diesem Mikrowellenresonator drinnen ist, sagen mir diese Interferenzstreifen, die man sieht.

00:47:34: Dieses Muster aus rot, blau, rot, blau.

00:47:36: Das sagt mir, das ist tatsächlich ein Quantenzustand, eine Quantenüberlage.

00:47:42: Der Vorteil jetzt ist, ich habe jetzt nicht nur meine Quanteninformationen gespeichert, da links und rechts, sondern ich kann dieses Muster dazu verwenden, um Fehler im System zu detektieren.

00:47:55: Das heißt, wenn irgendwas Ungewolltes mit meiner Quanteninformation passiert, kann ich dieses Interferenzmuster dazu verwenden zu detektieren und sogenannte Quantenfehlerkorrektur zu machen.

00:48:07: Also ein klassischer Computer, oder ich soll eigentlich sagen, ein Speicher macht so eine Fehlerkorrektur auch auf einem klassischen Computer.

00:48:17: In der Quantenphysik stellt sich heraus, ist das ganz fundamental nötig.

00:48:21: Unsere Quanten bits sind leider nicht perfekt.

00:48:22: Das heißt, wir brauchen irgendwie ein Algorithmus, der uns dafür sorgt, dass wir Fehler detektieren und korrigieren können.

00:48:29: Und diese Interferenzstreifen erlauben uns genau das zu machen.

00:48:33: Okay, also so schrödinger Katzen kann man tatsächlich herstellen.

00:48:38: Ja, damit bin ich eigentlich schon fast am Ende.

00:48:41: Noch mit ein paar Bilder aus unseren Labors.

00:48:45: Vielleicht gleich schon gesagt, Besucher sind jederzeit willkommen.

00:48:49: Also wir haben bei uns am Institut schon alles von Kindergarten bis zum Seniorenverein gehabt.

00:48:56: Wir machen angepasstes Programm für jeden.

00:48:59: Das heißt, wenn irgendwie Interesse besteht in kleinen, mittleren Gruppen bei uns vorbeizuschauen.

00:49:05: Kurzes E-Mail an unsere Administration, dann werden wir auf alle Fälle was organisieren.

00:49:11: Last but not least, was ganz Wichtiges, diese ganzen Sachen, die ich vorgestellt habe, diese Schaltkreise, einige der Messungen, die ich gezeigt habe, werden nicht von mir selber gemacht, sondern die werden nur deswegen oder sind nur deswegen möglich, weil ich ein motiviertes Team aus Masterstudenten, Doktoranden und Postdocs habe.

00:49:34: Ohne die wird in der Faust schon nix funktionieren.

00:49:39: Wir haben ein sehr internationales Team.

00:49:40: Wir müssen im Moment mal nachzählen.

00:49:42: Wir sind irgendwo immer zwischen fünf bis, ich glaube, der Rekord war, acht verschiedene Nationalitäten, die alle bei uns zusammenkommen, zusammenarbeiten.

00:49:52: Also tägliche Sprache ist eigentlich Englisch und nicht Deutsch.

00:49:55: Das heißt bitte, deswegen mein Dialekt vielleicht ein bisschen zu entschuldigen.

00:50:01: Und wirklich, das ist die Grundlage der Forschung in der Physik.

00:50:04: Es ist immer eigentlich Teamarbeit.

00:50:06: Und natürlich nicht zu vergessen, wir brauchen dafür auch Geld, deswegen eben die ganzen Fördergeber.

00:50:12: Und mit dem bin ich am Ende von meinem Vortrag und danke für die Aufmerksamkeit.

00:50:20: Unsere nächsten Veranstaltungen finden Sie im Veranstaltungskalender unter akademie-traunkirchen.com.

00:50:29: Wir freuen uns, Sie bei einem der nächsten Vorträge an der Internationalen Akademie Traumkirchen zu begrüßen.

00:50:35: Denn

00:50:36: Wissen

00:50:37: schafft Begeisterung.