Quantencomputer: Wie wir mit einzelnen Atomen rechnen können

Die Kontrolle über quantenmechanische Phänomene liegt einer Vielzahl moderner Technologien zugrunde. Dazu gehören zum Beispiel Laser oder moderne Halbleitermaterialien. In beiden Fällen geht es um die Kontrolle einer großen Anzahl elementarer Bausteine, hier Photonen oder Elektronen. Darüber hinaus eröffnet die gezielte Steuerung von Atomen ein komplett neues Fenster in die Welt der Quantenmechanik und ermöglicht so neue praktische Anwendungen.

Im Rahmen des Quantenjahrs 2025 spricht LMU-Physiker Professor Johannes Zeiher am 16. Oktober 2025 um 19.15 Uhr im Deutschen Museum zum Thema „Quanten unter dem Mikroskop: Wie wir mit einzelnen Atomen rechnen können“ (Anmeldung hier).

Professor Zeiher, wie sind Sie auf die Idee gekommen, Atome zum Rechnen zu nehmen?

Die theoretischen Ideen hierzu wurden schon in den 1990er- und frühen 2000er-Jahren formuliert, aber lange hat uns die Technologie für eine Umsetzung im Labor gefehlt. In den letzten Jahren haben wir jedoch gelernt, wie wir einzelne Atome immer besser kontrollieren können. Das ist eine entscheidende Voraussetzung für die experimentelle Umsetzung der Ideen.

Wichtige Vorarbeit ist hier auch vom LMU-Physiker und Nobelpreisträger Ted Hänsch geleistet worden, der in den 1970er-Jahren die Idee der Laserkühlung formulierte. Darauf aufbauend ließen sich immer komplexere Systeme von Atomen untersuchen.

Und um dann wirklich mit Atomen rechnen zu können, kam dann noch als entscheidender Punkt dazu: Immanuel Bloch und seinem Team gelang es parallel zu Arbeiten in Harvard von Markus Greiner, auch einzelne Atome in sogenannten Quantengas-Mikroskopen sichtbar zu machen. Inzwischen haben wir die Kontrolle der Atome so verbessert, dass wir damit Rechnungen machen können.

Neue Art zu rechnen

Ist das eine Art zu rechnen, die wir aus der Schule kennen?

(lacht) Wenn wir Atome kontrollieren, ergibt sich eine ganz andere Art von Rechnung als die, die man aus der Schule kennt. Das funktioniert nicht wie das Rechnen mit Zahlen, plus, mal, minus und geteilt. Schon unsere klassischen Computer funktionieren abstrakter, sie rechnen mit dem Binärsystem, die klassische Informatik basiert auf der Verarbeitung von 0 und 1.

Und der Quantencomputer geht darüber hinaus.

Genau, der Quantencomputer rechnet nicht nur mit Nullen und Einsen, sondern auch mit Überlagerungen von Nullen und Einsen. Das macht ihn so speziell. Unter bestimmten Voraussetzungen kann er dadurch einen viel größeren Möglichkeitsraum eröffnen – und hat damit einen enormen Rechenvorteil.

Was stellen Sie denn da konkret beim Rechnen mit den Atomen an?

Wie beim klassischen Rechner mit Bits aus 0 und 1 kann man auch in Atomen zwei Zustände definieren, beispielsweise interne elektronische Zustände, die stabil sind. Um Quantenrechnungen durchführen zu können, müssen wir auch die notwendigen Überlagerungszustände herstellen, wir nennen das quantenmechanische Superposition. Aus der Quantenoptik wissen wir, dass wir das durch Anleuchten der Atome mit Laserstrahlen erreichen können.

Warum muss man dafür die Atome kühlen?

Atome bewegen sich in der Regel extrem schnell, wenn man sie nicht kühlt. Die Luftmoleküle hier im Raum, Stickstoff zum Beispiel, fliegen mit etwa 450 Metern pro Sekunde umher. Da wäre es schwer, eines einzufangen. Wenn wir mit den internen Zuständen eines Atoms rechnen wollen, müssen wir es erst mal genau lokalisieren. Dafür kühlen wir die Atome. Und es gibt noch einen zweiten Trick neben der Kühlung: sogenannte optische Pinzetten. Wenn ein Atom kalt genug ist, können wir es in einem einzelnen Laserstrahl an einem Ort festhalten – wie mit einer unsichtbaren Pinzette. Dann ist man an dem Punkt, an dem wir die perfekte Kontrolle haben.

Sie arbeiten ja auch in der Grundlagenforschung mit solchen Systemen aus kalten Atomen und entwickeln daraus Modelle für Festkörpersysteme. Was ist die Idee?

Ich erkläre das mal mit einem Beispiel: Ein Metall ist ein System, das sich auf einfachster Ebene durch Elektronen beschreiben lässt, die in einem Kristallgitter umherschwirren. Dieses System quantenmechanisch exakt zu berechnen, erfordert die Berücksichtigung extrem vieler Teilchen in unterschiedlichen Zuständen. Und dazu kommt noch, dass sich nach der Quantenmechanik die Zustände dieser Teilchen auch noch überlagern und gegenseitig beeinflussen. Das kann ein klassischer Rechner schlicht nicht abbilden. Natürlich können wir verschiedene makroskopische Eigenschaften messen, zum Beispiel die Leitfähigkeit oder die Wärmekapazität. Mikroskopische Information ist dabei in der Regel aber verborgen.

Wir können in unseren quantenoptischen Laboren Modelle solcher Metalle oder anderer Festkörpermaterialien quasi Atom für Atom aufbauen und dann untersuchen, was in ihnen auf mikroskopischer Ebene passiert. Mit diesen analogen Quantensimulatoren lassen sich die zugrundeliegenden quantenmechanischen Phänomene in Materialien auf fundamentaler Ebene untersuchen.

Die im Labor eingesetzten Technologien lassen sich auch für digitale Quantensimulationen nutzen. Dabei ist die Kontrolle noch mal verbessert, und man kann damit auch allgemeinere Probleme lösen.

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Bleiben wir erst mal beim analogen System. Was kann man denn damit so erforschen?

Auf fundamentaler Ebene ist unser Ziel, Quantenmechanik von vielen Teilchen besser zu verstehen, sogenannte Quantenvielteilchen-Systeme. Dabei interessieren uns beispielsweise Eigenschaften, die einzelne Teilchen noch nicht haben, sich aber in Systemen vieler Teilchen im Kollektiv ergeben. Im Labor haben wir hier komplett neue Kontrollmöglichkeiten und können die Teilchen zum Beispiel extrem starken künstlichen Magnetfeldern aussetzen, die in klassischen Festkörpern nicht so einfach möglich sind.

Lassen sich damit auch Phänomene wie Magnetismus oder Supraleitung verstehen?

Für uns ist es eine große Motivation, mikroskopische Zusammenhänge zu verstehen, die makroskopischen Phänomenen wie der Supraleitung oder dem Magnetismus zugrunde liegen. Wir wissen, was ein Supraleiter auf makroskopischer Ebene tut. Man kühlt ihn und ab einer bestimmten Temperatur verliert er seinen elektrischen Widerstand. Dann kann Ladung verlustlos transportiert werden. Aber warum das mikroskopisch genau passiert, wissen wir in manchen Fällen nicht, vor allem, wenn diese sogenannte Sprungtemperatur bei besonders hohen Temperaturen auftritt. Hier können wir mit unseren Quantensimulatoren neue Impulse im mikroskopischen Verständnis geben.

Sie haben jetzt schon das Stichwort genannt, digitales Quantencomputing. Das ist ja Ihr zweites Standbein. Sie haben mit Kollegen das Start-up planqc gegründet, dafür jetzt den Gründerpreis erhalten. Wie kam es zu dieser Idee?

Wir haben schon vor vielen Jahren überlegt, ob man die Technologien, die wir entwickeln, nicht auch in einem Start-up vermarkten könnte. Lange war die Zeit aber noch nicht reif für digitales Quantencomputing, basierend auf neutralen Atomen. 2022 kamen dann aber verschiedene Dinge zusammen und wir haben planqc gegründet. Auf wissenschaftlicher Ebene gab es tolle Fortschritte in der Kontrolle einzelner Atome, parallel waren auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen durch das Munich Quantum Valley gut. Und vor allem hatten wir mit meinen Mitgründern Alexander Glätzle und Sebastian Blatt das richtige Team.

Schon lange mit dem Gedanken an ein Start-up gespielt

Kommt man da so abends mal in der Kneipe auf die Idee?

(lacht) Alex hatte schon vor langer Zeit mit dem Gedanken einer Ausgründung gespielt. Wir kennen uns aus der Promotion und er hatte damals schon bei Wettbewerben im Bereich Entrepreneurship mitgemacht. Diese Leidenschaft war auch bei unseren Gesprächen vor der Gründung von planqc zu spüren. Zugleich war uns klar, dass wir für den Bau skalierbarer Quantencomputer auch neue technische Entwicklungen, zum Beispiel im Bereich von Laser- und Optiksystemen, brauchen. Das erfordert Ingenieure, zum Beispiel um Vakuumsysteme oder die Robustheit von optomechanischen Systemen und Lasersystemen zu verbessern. Solche Entwicklungen können wir in akademischen Projekten nicht mehr schultern. Dafür braucht man Spezialisten.

Quantencomputer bei Raumtemperatur

Sie wollen Quantencomputer bei Raumtemperatur betreiben. Das klingt cool. Wie leicht ist das zu erreichen?

Ja, wir wollen auf sogenannte kryogene Kühlung verzichten. Anders als andere Plattformen, wie zum Beispiel supraleitende Qubits, sind wir nicht darauf angewiesen, dass unsere Qubits im Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit sind. Bei uns übernimmt die Laserkühlung diese Funktion. Wir kühlen mit Licht. Das hat große Vorteile in der Skalierung, weil wir nicht das ganze System in einen Kühlapparat stecken müssen.

Sie haben ja damit auf ein ganz eigenes technisches Konzept gesetzt. Viele Konkurrenten, große Konkurrenten wie Google, IBM, die setzen ja auf die Kühlung, also supraleitende Qubits und so weiter. Was hat Sie denn da so sicher gemacht oder was macht Sie jetzt so sicher, dass das der gute Weg ist?

Die kommerziellen Anbieter wie Google, IBM und andere haben im Bereich des Quantencomputing bislang fantastische Arbeit geleistet. Sie können ihre Qubits inzwischen sehr, sehr gut kontrollieren. Google hat mit ihrem Experiment zur Quantenüberlegenheit 2019 einen wichtigen Meilenstein erreicht. Mittlerweile gibt es sogar Chips mit bis zu 1000 Qubits und erste vielversprechende Ergebnisse zur Quantenfehlerkorrektur.

Was macht Sie so optimistisch, da mithalten zu können?

Neutrale Atome haben einen großen Skalierungsvorteil. Die enorme Herausforderung für viele andere Plattformen ist, dass man zwar in der Lage ist, Hunderte Qubits gut zu kontrollieren, wie zum Beispiel von Google und auch IBM gezeigt. Darüber deutlich hinauszugehen wird aber immer schwieriger. Mit jedem zusätzlichen Qubit erhöht sich der Kalibrierungsaufwand, denn jedes dieser supraleitenden Qubits ist leicht anders als das andere, da es sich um komplexe Gebilde handelt.

Kontrolle über eine Million Qubits

Und bei Ihnen ist das anders?

Atome sind, wenn man so will, die natürlichsten Qubits. Atome eines bestimmten Elements sind alle gleich. Für uns ist die Herausforderung, Kontrolle im Bereich weniger Atome gut hinzubekommen. Die nachfolgende Skalierung ist dann deutlich einfacher. Wir können die Anzahl der Atome erhöhen, ohne fundamental an unserem System etwas zu ändern. Das ist schon jetzt ein großer Vorteil, wird aber bei der weiteren Skalierung entscheidend sein.

Und wir werden die Systemgrößen hochskalieren müssen, um Quantenrechner perspektivisch auch für kommerziell relevante Anwendungen einsetzen zu können. Da reden wir dann über vielleicht eine Million Qubits oder mehr, die man kontrollieren muss. Da sehe ich für alle Plattformen große Herausforderungen. Unsere Arbeiten und auch der Fortschritt im Feld zeigen aber, dass neutrale Atome hier im Vergleich große Vorteile haben.

Wie lösen Sie das Problem bei der Skalierbarkeit?

Wir setzen auf optische Gitter. Das sind quasi Kristalle aus Licht, in denen wir unsere Atome fangen. Dazu kommt die Kontrolle der Atome durch optische Pinzetten. Die Laser dafür brauchen ausreichend Qualität und optische Leistung. Im Münchner Ökosystem sitzen mit Toptica und Menlo zwei weltweit führende Laserfirmen, mit denen wir diese Probleme angehen können.

Sie klingen ganz zuversichtlich, gibt es keine großen Hindernisse?

Man muss ehrlich sein: Je komplexer die Systeme werden, desto schwieriger wird auch die Aufgabe. Aber ich bin optimistisch, dass wir gute Lösungen finden werden, und sehe keine fundamentalen Roadblocks in den nächsten Jahren. Im Gegenteil: Der Fortschritt der letzten Jahre ist beeindruckend. Wir sind deutlich schneller vorankommen als ursprünglich geplant.

Mittlerweile beschäftigen Sie 90 Expertinnen und Experten bei planqc in Ihrer Firmenzentrale in einem ehemaligen Baumarkt in Garching. Was ist aus Ihrer Sicht die größte Herausforderung, aus der Grundlagenforschung ein tragfähiges Konzept für ein Start-up zu generieren?

Es gab natürlich viele Herausforderungen, angefangen vom Finden des richtigen Teams über die Räumlichkeiten bis hin zur Aushandlung eines tragfähigen Konzepts zum IP-Transfer. Wir haben bei all diesen Punkten sehr viel Unterstützung erfahren und Tipps von erfahrenen Gründern bekommen. Das Wichtigste aus meiner Sicht ist die Begeisterung für eine Idee, die man umsetzen möchte.

Natürlich erfordert die Start-up-Welt auch ein Umdenken: Verglichen mit der Arbeit an der Universität, legen wir im Start-up deutlich mehr Wert darauf, nachhaltige Strukturen zu schaffen, die auch wachsen können. Unser Anspruch ist, die Technologie schneller und besser zu entwickeln, als es an einer Universität möglich wäre. Die Arbeitsweise ist etwas anders, da wir deutlich zielgerichteter auf ein Produkt unter Zeitdruck hinarbeiten müssen. Dabei stehen wir natürlich in permanenter Konkurrenz zu unseren Wettbewerbern.

Gleichzeitig setzen wir auf enge Zusammenarbeit mit der akademischen Forschung, wo wir freier agieren und auch unkonventionelle Ansätze verfolgen können. Ich sehe das als sehr vielversprechenden Ansatz, um wirklich schwierige Probleme wie den Bau eines Quantenrechners zu meistern.

Perfektes Münchner Ökosytem

Sie haben den ersten frei programmierbaren Quantencomputer für 2027 angekündigt. Bleibt es dabei?

Da geht es konkret um ein System, das durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beauftragt wurde und im Innovationszentrum in Ulm gebaut wird. Es wird 100 Qubits haben. Gemeinsam mit dem DLR erkunden wir schon heute, ob man etwa den Aufbau von Batterien mithilfe von Quantencomputern optimieren kann. Zudem verfolgen wir auch sogenannte quanteninspirierte Ansätze, basierend auf sogenannten Tensornetzwerken, um zum Beispiel Hydrodynamik-Simulationen zu verbessern. Ein großer Fokus liegt auch auf der Quantenfehlerkorrektur.

Warum ist das so wichtig?

Selbst die besten Qubits wie Atome arbeiten nicht fehlerfrei. Die Grundidee der Fehlerkorrektur ist, aus mehreren sogenannten physikalischen Qubits, also unseren Atomen, eine neue funktionale Recheneinheit zu bauen. Wir nennen die dann logisches Qubit. An jedem logischen Qubit sind also mehrere physikalische Qubits beteiligt. Interessanterweise kann man logische Qubits unter bestimmten Voraussetzungen immer besser machen, je größer die Anzahl der physikalischen Qubits ist. Aus mehreren logischen Qubits kann man sogenannte fehlerkorrigierte Quantencomputer bauen, die viel besser rechnen als ihre nicht-korrigierten Pendants.

Quantenfehlerkorrektur ist auch Gegenstand aktueller Grundlagenforschung. Letzten Endes sind logische Qubits nichts anderes als Quantenvielteilchen-Systeme, die wir sehr genau kontrollieren müssen. Zudem sind wir überzeugt, dass man mit fehlerkorrigierten Maschinen von ungefähr 100 Qubits auch wissenschaftlich spannende Probleme untersuchen kann.

Ein Beispiel?

Hier schließt sich der Kreis zu den analogen Simulatoren: Auch mit digitalen Quantenrechnern sind Anwendungen im Bereich der Materialforschung interessant. Man kann elementare magnetische Systeme oder auch Elektronensysteme simulieren und ihre Eigenschaften erforschen. Es gibt dabei also eine enge Verbindung zwischen den analogen und digitalen Quantensimulatoren.

Und der Wettbewerb mit so riesigen Konkurrenten wie Google macht Spaß?

Wir sind insofern in einer guten Position, als dass wir auf eine andere Technologie setzen als beispielsweise Google. Für Google ist es nicht so einfach, auf unseren Pfad umzuschwenken. Natürlich stehen wir in Konkurrenz mit anderen Firmen in den USA, die auf neutrale Atome als Qubits setzen. Hier sehen wir uns, was Technologie und Skalierung angeht, in einer guten Position. Wir sind hervorragend ins Münchner Ökosystem mit dem MQV und dem Cluster MCQST eingebettet und erfahren viel Unterstützung von allen Seiten. München ist ein Hotspot für die Quantentechnologien. Es gibt sehr erfolgreiche Programme in der Ausbildung, zum Beispiel den von LMU und TUM gemeinsam angebotenen Masterstudiengang „Quantum Science and Technology“, der Studierende aus aller Welt anzieht. Wir haben in Deutschland und insbesondere in München Photonik- und Laserfirmen, bei denen auch die Konkurrenz die Produkte kauft. Alle diese Punkte bringen einen klaren Standortvorteil.

Also wird man bald wirklich in München mit Atomen rechnen?

Ich bin fest davon überzeugt. Auf kleiner Skala tun wir es ja schon heute.

Johannes Zeiher ist Professor für Physik an der LMU und Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, zudem Gründer und Principal Scientist des Start-ups planqc, das soeben mit dem Gründerpreis ausgezeichnet wurde.