„Wir müssen die Fähigkeit entwickeln, diese Systeme selbst zu bauen“

Herr Calarco, woran forschen Sie persönlich am Forschungszentrum Jülich?

Ich leite das Institut für Quantum Control. Wir entwickeln Software für Quantencomputer, die ähnlich wie Treiber in einem normalen Computer arbeitet – direkt auf der Ebene der Hardware, um möglichst niedrige Fehlerraten und die höchste Qualität der Qubit-Operationen zu gewährleisten.

Qubits sind die Basisrecheneinheiten eines Quantencomputers, vergleichbar mit den Bits in der normalen IT.

Genau. Kurz gesagt: Diese Quantentreiber sorgen für ein optimales Laufen der Hardware. Damit sind wir im Forschungszentrum die Verbindung zwischen denjenigen, die die Hardware produzieren, und denjenigen, die für die Algorithmen zuständig sind – wie das Jülicher Supercomputing Centre.

Sie beschreiben eine ganzheitliche Forschungsstrategie: Die ganze Kette von der Hardware bis zur Software?

Ja, das ist unsere Stärke. Am Forschungszentrum Jülich haben wir alle notwendigen Komponenten an einem Ort. Wir haben die Materialforschung, die Nanofabrikationsmöglichkeiten im Reinraum, die Infrastruktur für Design und Testing von Qubit-Schaltkreisen, Algorithmenkompetenz, Hochleistungsrechenkapazität und mehr. Ähnliches gilt für Helmholtz als Ganzes, das Besondere ist unser ganzheitlicher, systemischer Ansatz. Andere Standorte forschen auch umfassend an Quantentechnologien – etwa das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, das sehr stark bei Quantensensorik ist oder das DLR, das aktiv in der Forschung an abhörsicherer Quantenkommunikation ist, auf der Erde wie im Weltraum.

Mit solchen Forschungszentren müsste Deutschland in der Quantentechnologie sehr gut dastehen.

Ja, Deutschland steht mit ganz vorne in Europa.

Es gibt aber starke Konkurrenz aus den USA und China. Allein Google meldet regelmäßig neue Fortschritte beim Quantencomputer. China ist führend in der Quantenkommunikation. Wo stehen Deutschland und Europa verglichen mit diesen Ländern?

Wissenschaftlich sind wir absolut auf Augenhöhe, was Expertise, Kompetenz, Kreativität und wissenschaftliche Publikationen angeht. Wo wir schwächer sind, ist die private Seite: Investitionen der Großindustrie und von Privatinvestoren. Google investiert nach meiner Kenntnis mehrere hundert Millionen Dollar im Jahr in die Forschung an Quantencomputern. Wir sind ganz bestimmt nicht bei solchen Volumen und haben nicht so eine Risikokapital-Szene wie in den USA.

Droht eine technologische Abhängigkeit wie bei Suchmaschinen oder KI, wenn wir den Wettlauf verlieren?

Es geht nicht darum, den Wettlauf als Erster zu gewinnen. Wichtig ist, dass wir die Fähigkeit entwickeln, diese Systeme selbst zu bauen – damit wir nicht abhängig sind. Selbst wenn wir als Zweite ankommen, wäre das viel besser als eine Situation, in der wir keine eigene Produktionsfähigkeit für Quantentechnologien entwickeln.

Gibt es etwas, wo Europa den USA oder China voraus ist?

Auf einer Tagung in Washington sagte mir eine Mitarbeiterin des US-Energieministeriums, dass sie in den USA etwas neidisch sind, dass wir in Europa ein öffentliches Angebot für Quantencomputer haben, während man dort noch sehr stark von Großkonzernen wie IBM dominiert wird.

Was ist damit gemeint?

Wir haben die Jülich Unified Infrastructure for Quantum computing (JUNIQ). Damit können schon heute Wissenschaftler aus aller Welt per Internet die Quantencomputer nutzen, die wir als Co-Prozessoren in unsere Hochleistungsrechner integriert haben. Auch Physik-Laien können so unsere Quantenrechner nutzen. Bei bisherigen Projekten an der JUNIQ lösten Quantencomputer zum Beispiel Aufgaben, einzelne Flugzeuge optimal auf geplante Flüge zu verteilen oder berechneten die Faltung bestimmter Proteine, was dem Verständnis von neurodegenerativen Krankheiten wie Parkinson dient.

Sie sagten, in Europa klappt der Transfer von Technologie in die Anwendung nicht so gut wie in den USA. Wie kann das besser gelingen?

Bei Helmholtz haben wir dafür die Quantum Use Challenge gestartet, die konkrete Anwendungsfälle für Quantentechnologien aufzeigen soll. Das soll in allen Helmholtz-Forschungsbereichen erreicht werden – von Gesundheit über Erde und Umwelt bis hin zu Energie. Wir sind dabei, die Fragestellungen in diesen Bereichen in die Sprache der Quantentechnologie zu übersetzen.

Können Sie ein Beispiel nennen?

Zum Beispiel könnten Quantensimulatoren in der Materialforschung für die Entwicklung von Batterien eingesetzt werden. Ein Quantensimulator kann analog reproduzieren, was ein Material oder eine Chemikalie macht – auf eine Art, die klassische Computer nicht bewältigen. Anstatt ein Molekül mathematisch zu modellieren, setzt er Atome in ähnlicher Geometrie zusammen wie im echten Molekül und justiert die Wechselwirkungen entsprechend. So erhalte ich wichtige Informationen über geeignete Materialeigenschaften für bessere Batterien: mehr Kapazität, längere Lebensdauer, höhere Energieeffizienz. Ein weiteres Beispiel sind Anwendungen von Quantencomputern in der Fluiddynamik, konkret etwa für die Klimawissenschaft. Dort werden KI-Modelle bereits eingesetzt und es gibt Überlegungen, dort quantencomputer-gestützte KI zu verwenden.

Wann denken Sie, werden Quantensimulatoren oder Quantencomputer erste praktisch verwertbare Vorteile liefern? 

Wann der erste echte Quantenvorteil kommen wird, wissen wir nicht. Ich bin zuversichtlich, dass es bei der Quantensimulation innerhalb der nächsten zehn Jahre passieren wird. Daran arbeiten wir in der Helmholtz-Gemeinschaft intensiv.

Quantentechnologie bei Helmholtz