Experimente auf Quantencomputer schon in der Ausbildung

Die Anfänge der Forschung auf dem Gebiet der Quanten liegen an unserem Institut erst ca. zehn Jahre zurück – seitdem konnten einige grundlegende Phänomene der Quantenmechanik besser verstanden und sogar Anwendungen gemeinsam mit dem Fraunhofer IOF – sowie anderen Kooperationspartnern – entwickelt werden.

Schon allein diese Ergebnisse sind eine rasante Entwicklung, die zeigt, wieviel Dynamik und Potential in der neuen Technologie stecken. Umso erstaunlicher und gleichzeitig auch relevant ist es, dass schon in der universitären Ausbildung Erfahrungen durch Experimente mit den weltweit ersten kommerziellen Quantencomputern gemacht werden können.

Ermöglicht wurden diese Entwicklungen durch die Schwerpunktförderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (Initiativen »digiPhoton« und »qp-tech.edu«). Das gesellschaftliche Interesse besteht hierbei nicht nur im Erkenntnisgewinn und Umsetzung in neueste Applikationen z.B. zur Lösung von Übertragungs- und Sicherheitsproblemen in der Datenkommunikation. Wichtig ist hierbei auch der Know-how Vorsprung, um sich internationale Märkte zu erschließen. Das bedeutet, dass schon jetzt und künftig immer mehr gut ausgebildete Fachleute in der Industrie und F&E gebraucht werden.

»Experimentelle Quantentechnologien sollen künftig zu einem festen Bestandteil der Quantenausbildung hier in Jena werden«, erwartet Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Direktor des Institutes für Angewandte Physik an der Uni Jena sowie des Fraunhofer IOF. Dass dies jetzt schon umsetzbar ist, zeigte der Lab Course »Experimental Quantum Technologies« unter Leitung von Dr. Falk Eilenberger und Dr. Frank Setzpfandt, in dem 18 Studierende und Promovierende komplexe Quantenexperimente auf dem Fraunhofer-Quantencomputer »IBM QSystemOne« durchführten. »Unser Ziel war es, echte state-of-the-art Quantenexperimente hands-on zugänglich zu machen«, erklärt Dr. Falk Eilenberger. Über eine Cloud konnten die Teilnehmenden den in Ehningen (Baden-Würtemberg) physisch stehenden Rechner programmieren, Ergebnisse auslesen und sinnvoll darstellen lassen. »Dabei haben wir Probleme im Bereich der Simulation quantenoptischer Systeme sowie zum sogenannten Grover-AlgorithmusExterner Link gelöst«, erklärt Dr. Falk Eilenberger. Nach leicht nachvollziehbaren Berechnungen wurden deutlich komplexere Simulationen durchgeführt, um die Überlegenheit des Quantencomputers auszuspielen: »Dort haben wir gezeigt, dass verschränkte Qubits, also Photonen, deutlich präzisere interferometrische Messungen erlauben als klassische Photonen.« Konkrete Anwendung dafür sieht der Forscher nicht nur in einer verbesserten optischen Messtechnik, sondern auch für präzisere Uhren.

»Mit dieser Lehrveranstaltung haben die Universität Jena und das Fraunhofer IOF sowie ihre Partner didaktisches Neuland betreten«, bewertet Prof. Dr. Andreas Tünnermann, »Gleichzeitig zeigen wir damit aber auch, dass die standortbezogene Kooperation zwischen den beteiligten Einrichtungen wichtige Impulse für die Ausbildungsexzellenz vor Ort liefern. Außerdem wollen wir zahlreiche Versuche aus diesem Praxiskurs digitalisieren, um auch die internationale Wahrnehmung des Standorts als Exzellenzschmiede in den Quantentechnologien zu verbessern.«

Sehr motiviert zeigten sich auch die Studierenden – nicht nur wegen des erzielten tieferen fachlichen Verständnisses sondern auch dabei gewesen zu sein, als ein kleines Stück Physikgeschichte für den Standort Jena geschrieben wurde.