Gemessen an der Besucherzahl, war die vergangene Woche eine der besten in der Geschichte von Innovation Origins: Mehr als 25.000 mal wurde ein Artikel auf der Webseite angeklickt und die 100.000 Pageviews pro Monat kamen in Sicht! Es war die Erfindung einer Quantenschnittstelle durch Professor Johannes Fink aus Österreich, die so viele Leser anzog. Vor allem die Amerikaner und Kanadier waren interessiert. In diesen Ländern erreichten wir die höchsten Leserquoten.
Auf Platz zwei der meistgelesenen Artikel der vergangenen Woche landete eine Nachricht über ein neues Institut für Artificial Intelligence, das von der Stadt Eindhoven mit 100 Millionen Euro gefördert wird. Wenn diese Klickzahlen auf zukunftsweisende Technologien hinweisen, sollten wir in nächster Zeit zwei Themen ganz genau verfolgen: Quantencomputer und Artificial Intelligence.
Aber Ehre wem Ehre gebührt: dem Quantencomputer, der ein Internet mit grenzenlosen Möglichkeiten verspricht! Professor Fink leitet das Team Integrierte Quantensysteme am Institute of Technology (IST) Austria. Er und seine Kollegen forschten ein Jahr an einer Möglichkeit, Daten von einem Quantencomputer auf den anderen zu übertragen. Innovation Origins bat Fink um ein Interview, um noch mehr über die Quantenschnittstelle zu erfahren.
Zunächst wollen wir noch kurz das Projekt in Erinnerung rufen: Das Problem der Quantenschnittstelle liegt in der Elektronik des Quantencomputers, die nur bei extrem niedrigen Temperaturen funktioniert. Bei Übertragung müssten die Informationen eine Umgebung mit hohen Temperaturen queren, in der sie nicht bestehen könnten.
Dem Team gelang es, ein Gerät zu entwickeln, das verschränkte Mikrowellen und optische Felder als Grundlage für eine Quantenteleportation erzeugt. Die Verschränkung ist eines der Grundprinzipien der Quantenmechanik – und Fink et al. waren die ersten, die eine verschränkte Strahlung mit einem mechanischen Objekt erzeugten. Dabei lösten sie ein weiteres Forschungsproblem: Der Siliziumbalken, den sie nutzten, maß eine Länge von dreißig Mikrometern und eine Gesamtzahl von etwa einer Billion(10^12) Atome. Das ist für die Quantenwelt riesig. Quanteneffekte sind am einfachsten auf atomarer Ebene anzuwenden. Ungleich schwieriger ist eine Realisierung in größerem Maßstab.
Bild oben: Zwei Dünnschicht-Aluminium-Spiralresonatoren sind an einer 220 nm dicken Siliziummembran aufgehängt und kapazitiv mit einem mikrobearbeiteten mechanischen Nanostringoszillator in der Mitte gekoppelt. Durch zwei Pump-Felder mit Verstimmungsschalter gibt diese Mikrochip-Vorrichtung einen kontinuierlichen Strom von verschränkten Mikrowellen-Photonen an ihren beiden Anschlüssen aus.
Johannes Fink im Interview:
IO: Selbst Quantenphysiker sagen, dass die Quantenphysik einfach nicht verständlich ist. Wie erklären Sie forschungsfernen Personen was Sie machen?
Fink: “Einige Regeln und Effekte der Quantenphysik sind nicht intuitiv erfassbar, weil wir sie in unserer Alltagswelt nicht erfahren. Wenn man sich aber lang genug damit beschäftigt, bekommt man auch dafür eine Intuition und die Dinge wirken nicht mehr mysteriös. Die Quantenphysik liefert genaue Vorhersagen für unsere Experimente und hat uns diesbezüglich noch nie wirklich überrascht. Richtig aufregend wäre es eine Abweichung von der Theorie zu finden. Das ist bei unseren Energieskalen aber leider eher unwahrscheinlich.
Einer forschungsfremden Person würde ich sagen, dass wir die quantenmechanischen Regeln, die für sehr kleine Teilchen wie einzelne Atome gelten, in einem Schaltkreis auf einem Mikrochip zur Anwendung bringen. Damit wollen wir eines Tages leistungsfähigere Sensoren, Simulationen, Rechner und Netzwerke realisieren.”
Wie lange haben Sie an dem Prototyp für die Quantenschnittstelle geforscht?
Fink: “An diesem spezifischen Experiment haben wir circa ein Jahr gearbeitet. Die Resultate basieren aber auf Ergebnissen wie etwa dem spezifischen Design und der Fabrikationstechnologie der elektromechanischen Microchips, die ich bereits vor drei bis fünf Jahren am Caltech in Pasadena (CA) mitentwickelt habe.”
Was haben Sie anders gemacht, als andere Forscher zuvor?
“Wir haben es geschafft, die extrem kleinen Auslenkungen des Siliziumbalkens relativ stark an das Mikrowellenfeld zu koppeln. Das ist gelungen, indem wir einige Schaltkreiselemente extrem miniaturisiert haben.”
Was war die größte Schwierigkeit, die Sie überwinden mussten?
“Neben der Herstellung des Microchips, war es eine Herausforderung, die Messung sehr genau zu kalibrieren und jegliche Artifakte im Messaufbau auszuschließen.”
Und worin bestand die Lösung?
“Bei der Herstellung haben wir Ideen aus der Silizium-Photonik, der MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) und der Welt der supraleitenden Schaltkreise kombiniert. Dazu haben wir einen trockenen Flusssäureprozess implementiert, um den Siliziumbalken freizustellen und damit frei beweglich zu machen.
Für die Kalibration haben wir mechanische Schalter implementiert die auch bei 0.01 Grad Kelvin noch nutzbar sind, ohne das Experiment aufzuheizen. Diese haben wir dann verwendet, um zwischen einer temperaturkontrollierten Rauschquelle und unserem Bauteil hin und herwechseln zu können.”
Was trennt den Prototypen jetzt noch von einer Anwendung als Schnittstelle für Quantencomputer?
“Dafür müssen wir den Siliziumbalken an ein optisches Feld koppeln und Optik mit Mikrowellen verschränken. Die optischen Signale können dann auch für längere Distanzen bei Raumtemperatur zwischen kalten Quantencomputern als Informationsträger genutzt werden.”
Wie wird es weitergehen? Wird das Projekt in Richtung einer Quantenschnittstelle weiterentwickelt?
“Wir arbeiten bereits seit circa drei Jahren an genau diesem Ziel und können mit einem ganz ähnlichen mechanischen Oszillator bereits Mikrowellen in optische Telekom-Signale umwandeln. Im Vergleich zu kommerziellen Modulatoren funktioniert das bereits jetzt mit extrem hoher Effizienz und auch in beide Richtungen – was sehr wichtig ist, für unsere Anwendung in der Quantenmechanik. Allerdings ist es so, dass dieses Bauteil eine sehr kleine Bandbreite hat – also nur langsame Kommunikation möglich ist – und dass es bei der Konversion noch sehr viel Rauschen zum Signal hinzufügt. Verschränkte Mikrowellen-optische Felder sind daher zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich. Aber wir arbeiten daran das zu ändern.”
Danke für das Gespräch.
Über Johannes Fink
Der Wissenschafter schrieb schon seine Masterthesis am Physik Institut der Universität Wien 2007 zum Thema Quantentheorie und verfolgt diese seither konsequent. Seinen Ph.D. absolvierte er an der ETH Zürich in der Abteilung für Physik, wo er noch einen Postdoc anschloss (2006-2012). Es folgte ein Forschungsaufenthalt am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, CA (2012-2017). Seit 2016 forscht Fink am Institute of Technology (IST) Austria, nahe Wien, wo er die Gruppe Integrierte Quantensysteme leitet.
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