Portrait

"Physik ist wie Bergsteigen"

Barbara Terhal forscht an den Computern der Zukunft. Diese werden um ein Vielfaches schneller sein als heutige. Wenn sie Laien von ihrer Arbeit in der Quantenphysik erzählt, erntet sie oft nur fragende Blicke. Dabei sei das gar nicht so schwierig, sagt sie mit breitem amerikanischen Akzent.

Dieses Gebilde neben dem Schreibtisch fesselt die Aufmerksamkeit als erstes: Wie ein Stern sieht es aus, gefaltet aus Papier, ein wenig größer als eine ausgestreckte Hand. Barbara Terhal lächelt – „Origami ist ein Hobby von mir“, erzählt sie. Die kleine Skulptur hat sie selbst gefaltet, und wenn sie Besuch hat, dient sie oft als Überleitung zu den ernsten Themen ihrer Forschung. Ein Dodekaederstern sei es, klärt sie auf, ein geometrisches Konstrukt mit zwölf Spitzen, alle gleich weit voneinander entfernt – „so ähnlich kann man sich auch einen Code für die Quantenfehlerkorrektur vorstellen, das ist genau das Thema, an dem ich arbeite.“

Barbara Terhal forscht an der RWTH Aachen und am Forschungszentrum Jülich auf einem so komplexen Gebiet, dass Laien oft schon die Fragestellungen nicht verstehen, geschweige denn die Erkenntnisse der Wissenschaftler. Mit der Quantenphysik setzten sich bereits Einstein und Heisenberg auseinander. Wie man sich die Quantenphysik denn vorstellen solle, wurde Heisenberg einmal gefragt, und er antwortete kurz angebunden: „Versuchen sie’s lieber gar nicht erst!“ Terhal schüttelt heute, vier Jahrzehnte nach dem Tod Heisenbergs, den Kopf über diesen Satz: „Damals wurde eher philosophisch über die Quantenmechanik diskutiert, besonders über die Frage, wofür man sie überhaupt brauche. Heute geht es darum, die Formeln konkret zu nutzen, um bessere Computer zu bauen.“ Die Quantenphysik sei kein unverständliches Mysterium, wehrt sie ab, sondern ein mathematischer Formalismus, an den man sich gewöhnen könne.

Die 48-jährige Niederländerin mit ihren schulterlangen Haaren hat sich längst an die fragenden Blicke gewöhnt, wenn sie Laien von ihrer Arbeit erzählt. Ruhig und bedächtig spricht sie dabei, denn mit dieser Art von Erklärungen hat sie eine lange Erfahrung: Sie ist eine der Pionierinnen auf diesem Feld, seit Beginn ihrer Karriere beschäftigt sie sich damit. Während herkömmliche Computer mit Bits rechnen, die nur die beiden Werte „0“ oder „1“ annehmen können, arbeitet ein Quantencomputer mit Quantenbits. Diese auch Qubits genannten Teilchen können beliebig viele Zwischenzustände annehmen, die sich durch einzigartige Quanteneigenschaften wie Verschränkung und Interferenz auszeichnen. Dadurch werden Quantencomputer eines Tages ungleich mehr Informationen speichern und verarbeiten können als die heute üblichen Rechner, sagen Experten voraus.

Schwindelerregende Visualisierung der Quantenfehlerkorrekturcodes, an denen Terhal forscht. Bild: Tamfang

Eine der größten Hürden auf diesem Weg will Barbara Terhal mit ihrem Team abbauen: Weil die Qubits anfällig sind für Fehler, ist eine sogenannte Quantenfehlerkorrektur nötig; konkrete Schemata, mit deren Hilfe man aus fehleranfälligen Qubits fehlerfreie bauen kann. Terhal redet so häufig darüber, dass sie den englischen Begriff „quantum error correction“ mittlerweile zu einem einzigen Wort zusammenzieht. Die Physikerin spricht mit einem breiten amerikanischen Akzent – ein Überbleibsel aus den mehr als zehn Jahren, die sie in den USA forschte. Im „Watson Research Center“ der Computerfirma IBM war Terhal lange tätig, dazu am renommierten California Institute of Technology in Pasadena. „Als ich mit der Arbeit anfing, wusste kaum jemand etwas über das Feld der Quanten-information“, sagt Terhal. Sie war zur richtigen Zeit am richtigen Ort: Für ihre Doktorarbeit an der Univer-sität Amsterdam suchte sie nach einem Thema. Über neuronale Netze dachte sie nach und über Biophysik, bis sie dann einen Professor fand, der in das neue Feld der Quanteninformation einsteigen wollte. „Weil das Thema so neu war, wollte ich mich bald mit einer Gruppe von Forschern zusammenschließen, die mehr Expertise auf dem Feld hatte“, erzählt sie – und landete bei IBM in den bestens ausgestatteten Firmenlaboren. Es war die Phase, in der die Quantencomputer-Forschung einen gewaltigen Aufstieg erlebte: Konkrete Ergebnisse wurden greifbar, es floss viel Geld in die Forschung und etliche Wissenschaftler spezialisierten sich auf das Gebiet, in dem Barbara Terhal schon jahrelangen Vorsprung hatte.

„Ich finde, Physik ist so ähnlich wie Bergsteigen“, sagt sie: „Du stehst vor einer Wand und musst irgendwie hochkommen. Du siehst eine Menge Leute am Felsen, sie haben auf der einen Seite einen Pfad gefunden und klettern hinauf. Du kannst hinterher, etwas von ihnen lernen – aber vielleicht willst du auch deinen eigenen Weg suchen.“ Jeder Schritt bei einem solchen Aufstieg auf eigenen Pfaden sei ungeheuer wichtig, man müsse immer die Balance behalten, aber werde oben auf dem Gipfel von einer großartigen Aussicht belohnt. „Da gewinnt man Einblicke, die niemand anders auf der Welt hat – that’s discovery!“, sagt sie freudestrahlend.

Rund um das Forschungszentrum Jülich entsteht gerade eine internationale Kooperation, die sich mit Quanteninformation und Quantencomputing beschäftigt: Eingebunden sind außer der RWTH Aachen auch die Universität in Delft – dorthin wechselt Barbara Terhal, die ihr Büro derzeit noch in Aachen hat, zum Wintersemester. In Jülich bleibt sie weiterhin tätig. Die Kombination aus der öffentlich finanzierten Forschung in Jülich und der Forschung in Delft, wo unter anderem Microsoft und Intel beteiligt sind, hält sie für ideal. In der internationalen Kooperation, zu der sich Aachen, Jülich und Delft jetzt zusammenschließen, arbeiten viele Teams an verschiedenen Fragestellungen rund um den Quantencomputer. „Mein persönliches Ziel ist, die Quantenfehlerkorrektur zum Laufen zu bringen“, sagt Terhal – „das ist eine ganz konkrete Aufgabe.“ IBM hat gerade den ersten Quantencomputer vorgestellt, der mit fünf Qubits arbeitet. Für Terhal ist es nur eine Frage der Zeit, bis es Modelle mit 15, 20 oder 50 Qubits geben werde.

Ihre Rückkehr nach Europa im Jahr 2010, hatte auch mit ihren drei Kindern zu tun, die Zwillinge sind heute 12 Jahre alt, die ältere Tochter 15: „Ich habe meine Kindheit in den Niederlanden sehr genossen“, sagt sie, „und wollte das meinen Kindern auch ermöglichen.“ Also kam sie mit ihrem Mann zurück – David DiVincenzo ist ebenfalls ein erfolgreicher Quantenphysiker, auch er arbeitet an der RWTH Aachen und am Forschungszentrum Jülich. Die beiden haben einige aufsehenerregende Arbeiten gemeinsam veröffentlicht. Voraussetzung für eine glückliche Beziehung sei es aber nicht, dass der Partner die komplexen Forschungsthemen versteht, lacht sie: „Es gibt so wenig Frauen in der Quantenmechanik, da könnten die meisten Männer ja sonst nie heiraten!“

Einer der Gründe für ihren Wechsel von IBM in die akademische Sphäre sei es auch gewesen, dass sie hier mit dem Nachwuchs arbeiten könne. Häufig, erzählt Barbara Terhal, säßen Studierende bei ihr im Büro. Jetzt kommt sie zurück auf ihre Analogie zwischen der Physik und dem Bergsteigen: „Die wollen so schnell wie möglich da hoch auf diesen Felsen. Aber manche sind zu ungeduldig, die fallen runter oder folgen einfach der Horde auf den eingetretenen Pfaden.“ Sie selbst suche sich ihren Weg lieber selbst.

Auf die Frage, ob sie das Gefühl des Gipfelstürmens in natura schon einmal selbst erlebt habe, schüttelt Barbara Terhal den Kopf: „Nein, für mich ist das nichts.“ Dann lacht sie kurz auf und schiebt nach: „Um ehrlich zu sein: Ich habe Höhenangst!“

31.07.2017 Kilian Kirchgeßner

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