Computer sind aus dem täglichen Leben nicht wegzudenken: Als Smartphone, in Autos und an den allermeisten Arbeitsplätzen sowieso. Doch selbst für die leistungsstärksten Vertreter dieser elektronischen Alltagsbegleiter, sogenannte Supercomputer, gibt es Rechenaufgaben, an denen sie scheitern. Die Lösung sollen Quantencomputer bringen. Einen Beitrag dazu will die Universität Augsburg leisten. In einem Großforschungsprojekt, das unter Federführung der Universität Augsburg und der TU München steht, soll in den kommenden Jahren die Entwicklung und Untersuchung neuartiger Materialien vorangetrieben werden, die langfristig als Basis für solch extrem leistungsfähige Computer dienen könnten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das Projekt finanziell mit zwölf Millionen Euro. Davon gehen laut Universität Augsburg rund zehn Millionen nach Bayern. Insgesamt sind acht Universitäten beteiligt.

„Für die Festkörperphysik war die Welt lange Zeit übersichtlich: Es gab Materialien, die den elektrischen Strom leiten, die sogenannten Leiter wie etwa die meisten Metalle. Es gab andere, die das nicht tun, die Isolatoren, und schließlich solche, die eines kleinen Schubsers bedürfen, bevor sie sich dazu überreden lassen: die Halbleiter”, gibt die Universität Augsburg einen Überblick.

Im Jahr 2007 sei nun eine vierte Gruppe hinzugekommen: die topologischen Isolatoren. Diese leiten Strom nur an ihrer Oberfläche, dort allerdings extrem gut. In ihrem Zentrum sind sie dagegen Isolatoren. „Topologische Isolatoren zählen zu einer wachsenden Familie neuartiger Materialien, deren exotische Eigenschaften maßgeblich auf quantenphysikalischen Effekten beruhen. Sie werden daher als Quantenmaterialien bezeichnet”, erklärt die Universität.

Genau mit diesen Materialien soll sich der jetzt bewilligte Transregio-Sonderforschungsbereich in den kommenden Jahren beschäftigen. „Denn sie gelten unter anderem als Schlüssel zu ultraschnellen Quantencomputern. Diese machen sich zur Lösung bestimmter mathematischer Probleme quantenmechanische Effekte zunutze. Aufgaben, für die heutige Rechner Jahre benötigen, könnten sie daher in Sekundenbruchteilen bewältigen”, so die Universität Augsburg.

Eine der Besonderheiten von Quanteneffekten ist, dass sie nur in der Welt der allerkleinsten Dinge zum Tragen – zum Beispiel auf Molekül- oder Atomebene. „Die bisher verfügbaren Quanten-Rechner erfordern daher sehr aufwendige Techniken, mit denen sich etwa einzelne Atome manipulieren lassen“, erklärt der Augsburger Physiker Professor István Kézsmárki, Sprecher des neuen Transregio-Sonderforschungsbereichs. So müssten die Atome in der Regel stark heruntergekühlt werden. In diesem Zustand ließen sie sich dann etwa mit „Pinzetten“ aus Laserlicht greifen und mit Informationen beschreiben. „Die dazu nötigen Technologien sind höchst komplex“, sagt der Wissenschaftler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Augsburg. „Zudem sind die Systeme anfällig gegenüber störenden Einflüssen.“ Selbst ein sehr einfacher Quantencomputer fülle daher heute ein halbes Labor.

Quantenmaterialien dagegen seien wesentlich leichter zu handhaben: In ihnen treten laut Universität bestimmte quantenmechanische Effekte auch dann auf, wenn viele Atome oder Moleküle zusammenkommen. „Zudem sind Materialien denkbar, die diese Phänomene sogar bei Raumtemperatur entfalten“, betont Kézsmárki. Der Sonderforschungsbereich suche daher unter anderem nach Materialien, die sich für den Einsatz in künftigen Quantencomputern eignen könnten.