100 Jahre Quantenmechanik: Professor Ensslin über Nobelpreise & Quantenforschung

Im Jubiläumsjahr der Quantenmechanik spricht ETH-Professor Klaus Ensslin über die Anfänge des Forschungsgebiets, aktuelle Durchbrüche und die Vision eines Quantencomputers, der die Welt verändern könnte.

Am 10. Dezember nahmen drei Quantenforscher in Stockholm den Nobelpreis entgegen – ein Meilenstein, der zugleich das hundertjährige Bestehen der Quantenmechanik markiert. Im Interview erklärt Ensslin, warum die Entdeckung des Tunneleffekts bahnbrechend war, welche Materialien für die Zukunft entscheidend sind und weshalb der Traum vom Quantencomputer greifbarer wird.

Der Physik-Nobelpreis wurde letzte Woche offiziell an drei Quantenwissenschaftler verliehen. Wie wichtig war ihre Arbeit für die Quantenforschung?

Klaus Ensslin: Die drei Forscher haben vor vierzig Jahren experimentell gezeigt, dass der quantenmechanische Tunneleffekt auch für makroskopische Objekte funktioniert, nicht nur für einzelne Teilchen wie Elektronen oder Protonen. Dies hat die generelle Frage aufgeworfen, wie gross ein System sein kann, damit es noch den Gesetzen der Quantenmechanik genügt. Und der Quantencomputer ist ein sehr grosses System, welches aus vielen Qubits bestehen wird, um eine sinnvolle Rechnung zu machen. Das war also eine sehr wichtige Entdeckung.

In diesem Jahr wurde nicht nur der Nobelpreis für Quantenforschung verliehen, 2025 wurde auch 100 Jahre Quantenmechanik gefeiert. Was geschah denn 1925?

Die Uno hätte auch ein anderes Jahr wählen können. Aber 1925 passierte einfach besonders viel und es wurden zahlreiche wichtige Studien veröffentlicht. Aber es ist nicht so, dass es vorher keine Quantenmechanik gab und dass danach alles klar war. Bei der Quantenmechanik waren viele Forschende über einen längeren Zeitraum involviert.

Die Prinzipien der Quantenmechanik scheinen auch nach all den Jahren Forschung immer noch vielen Menschen fremd. Woran liegt das?

Vielen Aussagen der Quantenmechanik begegnen wir im Alltag nicht. Zum Beispiel diesem Sowohl-als-auch: Wir Menschen können nicht gleichzeitig in Paris und in Zürich sein. Aber auf der mikroskopischen Ebene ist es möglich, dass sich Objekte wie Elektronen oder Photonen an mehreren Orten gleichzeitig befinden. Auch Albert Einstein hielt dies seinerzeit übrigens für unmöglich. Seine Kritik trieb die Quantenforschung stark voran.

Dennoch dauerte es noch Jahrzehnte, bis man nachweisen konnte, dass zwei oder mehr verschränkte Teilchen auch über grosse Distanzen hinweg miteinander verbunden bleiben.

Ja, erst Ende der Siebziger Jahre fanden die ersten Experimente statt, die zeigten, dass es diese Nicht-Lokalität wirklich gibt. Mittlerweile wird das Experiment im Studierendenpraktikum gemacht. Zur Nicht-Lokalität gab es auch in der Schweiz wichtige Experimente. Diese führten ab den 2000er-Jahren zu ersten brauchbaren Anwendungen der Quantenkryptographie – etwa für abhörsichere Verschlüsselungssysteme, die übrigens eine Genfer Firma erstmals auf den Markt brachte.

Der Quantencomputer soll dereinst Rechenprobleme viel schneller lösen können als ein klassischer Computer. Wann wird dies Ihrer Ansicht nach der Fall sein?

Die Idee eines Quantencomputers ist fast 50 Jahre alt und und die prinzipiellen Ideen gehen auf den amerikanischen Physiker Richard Feynman zurück. Bereits Ende der Siebzigerjahre sagte er voraus, dass bestimmte Computer in Zukunft auf Quantenzustände setzen. Google hat bereits einen Quantencomputer, der Berechnungen durchführen kann, die auf herkömmliche Weise nicht möglich sind. Alle warten nun darauf, dass er irgendetwas rechnen kann, das für die Welt wichtig ist. Ich gehe davon aus, dass in zehn Jahren ein grosses Problem gelöst werden kann, welches wir im Moment nicht lösen können.

An was für ein Problem denken Sie?

Es könnte zum Beispiel sein, dass die Struktur und die Energieniveaus eines komplizierten Moleküls ausgerechnet werden, welches für die Düngerherstellung wichtig ist. Die Düngerherstellung ist für mehrere Prozent des CO2-Austosses verantwortlich, und jede auch nur kleine Verbesserung würde enorme Konsequenzen haben.

Als Dateneinheit verwenden Quantencomputer Qubits. Diese können den Zustand 0 und 1 gleichzeitig annehmen. Das macht Quantencomputer für bestimmte Aufgaben extrem effizient. Qubits herzustellen ist aber sehr komplex. Wie viele sind bereits möglich?

Forschende an Hochschulen können zurzeit zwischen 50 und 100 Qubits herstellen. Teams von grösseren Firmen sowie Start-ups arbeiten bereits mit etwa 1000 Qubits. Man sagt, um etwas Sinnvolles zu machen, brauche man circa eine Million Qubits. An der ETH Zürich forschen Kollegen wie Jonathan Home und Andreas Wallraff daran, wie sich mehr solcher Qubits herstellen und steuern lassen.

Wie will man es denn von hundert auf eine Million Qubits schaffen?

Es gibt zwar viele Ideen, aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Ein anderer Ansatz ist, dass man versucht Probleme so formulieren, dass man schon mit 10’000 Qubits eine sinnvolle Antwort finden kann. Markus Reiher forscht an der ETH etwa daran, wie sich komplexe Probleme so reduzieren lassen, dass sie mit möglichst einfachen Quantencomputern gelöst werden können. Beide Ansätze, mehr Qubits herstellen und Probleme herunterzubrechen, machen Sinn. Und irgendwann trifft man sich dann in der Mitte.

Entscheidend ist aber auch das Trägermaterial. Es bestimmt, wie stabil ein Qubit ist, wie leicht es sich kontrollieren lässt, und wie gut es sich mit anderen Qubits verbinden lässt. Wie haben sich denn die Materialien in den letzten Jahrzehnten entwickelt?

Galliumarsenid, mit dem ich schon während meiner Doktorarbeit in den 80er Jahren arbeitete, galt damals als Material der Zukunft. Es ist noch heute das reinste Material, das wir kennen. Aber es ist problematisch für einen Quantencomputer, denn Gallium und Arsen haben Kernspins. Dadurch werden die Spins der Elektronen in der Hülle gestört und lassen sich schwer kontrollieren.

Dann kam Silizium als mögliches Trägermaterial auf. Silizium kann man erstens ohne Kernspins realisieren. Und zweitens weiss die Halbleiterbranche auf der ganzen Welt, wie man auf Silizium-Basis Milliarden von Transistoren herstellt. Das Material steckt ja in jedem Laptop. Es stellte sich aber heraus, dass das Ganze doch nicht so einfach ist.

Dann kam vor rund zwanzig Jahren Graphen auf. Unsere Forschungsgruppe hat frühzeitig Quantensysteme auf Graphen-Basis untersucht. Denn Graphen hat die ganzen Vorteile von Silizium, hat aber zusätzlich eine weitere Quantenzahl, die man genau versteht und kontrollieren kann. Das ist die sogenannte Valley-Quantenzahl. Diese zeigt an, in welchem Energietal sich ein Elektron befindet. Bei Graphen können wir sie manipulieren, einschalten, ausschalten und so weiter. Bei Silizium hingegen spukt die Valley-Quantenzahl immer so rein, und man versucht sie zu umgehen und hat das nicht so im Griff. Wir versuchen nun, auf Graphen-Basis ein neuartiges Qubit zu bauen.

Wie weit sind Sie noch vom Ziel entfernt, das erste Graphen-Qubit herzustellen?

Wir sind weltweit nur ein paar wenige Gruppen, die an Qubits in Graphen forschen. Es sieht relativ einfach aus, wenn man es erklärt. Aber im Detail ist es dann eben doch nicht so simpel. 2017 hatte eine Doktorandin die entscheidende Idee, wie man mit einer zusätzlichen Graphen-Elektrode einen aus- und einschaltbaren Einzel-Elektronen-Transistor realisieren kann. Erst diese aus heutiger Sicht einfache Idee brachte das Projekt zum Laufen. Seither können wir einzelne Elektronen gezielt einfangen. Wir verstehen den Spin-Zustand, den Ladungszustand und jetzt auch den Talzustand. Aber was wir noch nicht können, ist zwei wohldefinierte Zustände zusammenzubringen und sie kohärent miteinander zu verschränken. Und das ist für ein Qubit nötig. Die Messtechnik ist bekannt, das Messprozedere auch, und das Material haben wir im Griff. Aber die Realisierung dieser Ideen im Labor braucht länger als gedacht.

Was ist das Problem?

In der Experimentalphysik gibt es vieles, das schief gehen kann. Bei tiefen Temperaturen fällt plötzlich ein Draht ab. Der Kryostat hat ein Leck. Oder jemand legt eine zu hohe Spannung an, die Probe geht kaputt. Das sind lauter Trivialitäten, mit denen wir seit zwei Jahren kämpfen. Im Prinzip wissen wir, wie es geht. Wir haben die Probe dazu, wir können das machen. Deswegen: Es kommt.

Woran arbeiten andere Quantenphysiker der ETH Zürich?

Neben Kolleginnen und -kollegen wie Yiwen Chu, Jonathan Home und Andreas Wallraff, die alle mit verschiedenen Techniken Qubits weiterentwickeln, gibt es an der ETH auch Forschende wie Tilman Esslinger. Er stellt keine Qubits her, arbeitet aber an einem sogenannten Quantensimulator, der ganz andere Probleme lösen kann. Christian Degen benutzt Quantensystem für ultra-sensitive Sensoren. Lukas Novotny untersucht echt makroskopische Objekte in ihrem quantenmechanischen Grundzustand. Renato Renner erforscht die Zusammenhänge zwischen Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Marina Marinkovic wendet Quantenalgorithmen auf Probleme der Teilchenphysik an. Atac Imamoglu und Jerome Faist untersuchen die Wechselwirkung von Halbleiter-Quantensysteme mit Photonen. Es ist faszinierend, dass wir an der ETH fast die gesamte Bandbreite der Quantentechnologie abdecken: Die Breite der Forschungsthemen auf diesem Gebiet an der ETH Zürich ist weltweit einzigartig.

Wie wichtig ist denn die Zusammenarbeit in der Quantenforschung?

An der ETH erkannten wir zum Glück schon früh, dass wir beim Thema „Quanten“ zusammenspannen sollten, um weiterkommen. Bereits 2007 gründeten wir ein kleines Zentrum. Wir hatten ein sehr überschaubares Budget und konnten damit zwei, drei Doktorierende finanzieren für die rund zehn beteiligten Professuren. Aber die Zusammenarbeit, der Austausch mit anderen und eine gute Vernetzung sind essenziell, auch über die Hochschule hinaus. Das finde ich so grossartig an der modernen Physik: Früher arbeiteten meine Kollegen in der Atomphysik, forschten an Ionenfallen oder beschäftigten sich mit Halbleiter-Physik. Jetzt reden alle miteinander, weil wir eine ähnliche physikalische Fragestellung beantworten, aber mit ganz anderen Methoden. Die Quantenforschung hat uns alle zusammengebracht.

Vor fünf Jahren nahm das Quantum Center der ETH Zürich seinen Betrieb auf – um Quantenforschende näher zusammenbringen. Wie läuft es?

Die Zusammenarbeit läuft gut, und wir tauschen uns regelmässig aus. Neben vielen Physikern sind im Quantum Center Elektrotechnikern und Maschinenbauern vertreten. Auch in der Informatik gibt es viel Interesse an Quanten-Systemen. Die Informationswissenschaften sind bei der Arbeit am Quantencomputer essenziell. Es gibt neue Hardware, also braucht es auch neue Software. Was in der Schweiz, ja in ganz Europa fehlt, ist ausserdem ein Industriepartner, der in Quantencomputer investiert. Das machen bisher nur grosse Unternehmen aus China und den USA. Das ist schade.

Was möchten Sie persönlich noch herausfinden?

Ich bin am Ende meiner Karriere. Gleichzeitig bin ich an einem grossen EU-Projekt beteiligt, das bis Mitte 2026 dauert. Bis dahin möchte ich gerne ein Qubit auf Graphen-Basis realisieren. Ich hoffe natürlich, dass es ein sehr gutes Qubit sein wird.

 

Quelle: ETH Zürich
Bildquelle: Heidi Hostettler / ETH Zürich