Tüfteln am Quantensprung (PNP vom 27.02.2019) von Julia Berner

Sebastian Lew und Lukas Böhm präsentieren erste Ergebnisse zum Quantencomputer bei Jugend forscht

„Es klappt nur so lange nicht, bis man es möglich macht.“ Das hat Sebastian Lew gelernt, als er 2017 am Erfinderwettbewerb Jugend forscht teilnahm. Einen 4D-Stuhl hat der Schüler des Wilhelm-Diess-Gymnasiums damals konstruiert und es damit bis zum Bundesentscheid nach Erlangen geschafft. Dieser Erfolg hat dem heute 17-Jährigen Mut gemacht, sich mit scheinbar unmöglichen Sachverhalten zu beschäftigen, konkret mit einem Quantencomputer.

Einen solchen möchte er mit seinem Schulfreund, dem 18-jährigen Lukas Böhm bauen. Fertig ist das Gerät noch lange nicht, schließlich beißen sich Forscher aus aller Welt seit Jahrzehnten die Zähne daran aus. Sie basteln also an etwas, das bisher noch niemand geschafft hat. Doch Sebastian und sein Schulfreund Lukas Böhm werden ihre bisherigen Ergebnisse beim morgigen Regionalentscheid von Jugend forscht präsentieren. Doch was verbirgt sich eigentlich hinter einem Quantencomputer? „Er ist kein Ersatz für unsere bisherigen Computer“, stellt Lukas Böhm gleich klar. „Er ist eher ein Zusatzgerät für unsere PCs, das man daran anschließen kann.“ Der Bedarf nach einem solchen Gerät ist seit Jahrzehnten sehr groß, bisher aber noch nicht realisiert. „Ein Quantencomputer ist quasi ein super schneller Taschenrechner, dem wahrscheinlich keine Rechnung zu kompliziert ist“, erklärt Sebastian Lew, der nach dem Abitur gerne Mechatronik studieren würde.

Zu Nutze machen könnte man sich diese gigantische Rechenleistung für Simulationen in den unterschiedlichsten Bereichen: In der Medizin könnte man damit zum Beispiel Proteinfaltungen berechnen, was einen Durchbruch für die Krebsforschung bedeuten würde. Außerdem würde ein solches Gerät in der Quantenkryptographie Anwendung finden, die sich mit Datensicherheit befasst. Und auch die Informatik, Mathematik, Astronomie und die Physik selbst würden davon profitieren. „Mit einem Quantencomputer könnte man auch die Quanten selbst untersuchen, das ist bisher nur sehr eingeschränkt möglich“, weiß Lukas Böhm, der neben der Schule bereits ein Semester Mathe studiert hat und nach dem Abitur gerne Physik studieren möchte.

Und genau hier liegt das bisherige Problem am Quantencomputer. Hinter den Quanten, die für den „Super-Taschenrechner“ benötigt werden, verbergen sich kleinste Teilchen, solche im Nanometerbereich. „Die sind so klein, dass sie von der klassischen Physik nicht mehr erfasst werden können“, erklärt Sebastian Lew. Bereits seit mehreren Jahrzehnten befassen sich Forscher mit Quantencomputern und haben bislang immerhin einige Grundkriterien erfasst, die vollständig erfüllt sein müssen, damit ein solches Gerät funktionieren kann. Um diese zu erreichen, gibt es in der breiten Forschung zwei Ansätze, einen Quantencomputer auf Ionenbasis und auf Supraleiterbasis. „Wenn man mit Ionen arbeitet, hat man das Problem, dass sie sich schnell ablenken lassen, beispielsweise schon durch Luftteilchen“, erklärt Lukas Böhm. „Für Forschungen an der Supraleitung muss diese unter hohem Energieaufwand enorm runtergekühlt werden, was das Operieren sehr erschwert.“

Deswegen haben die beiden einen anderen Forschungsansatz gewählt, dem ein Forscher einige Jahre nachging, später aber wieder verwarf: Einem Quantencomputer auf Magnetbasis. „Magneten haben den Vorteil, dass sie nur durch andere Magneten abgelenkt werden und temperaturunabhängig sind“, erklärt Sebastian. Die Arbeit am Forschungsprojekt der Jungs verlief bisher nur sehr theoretisch. Nachdem sie sich ordentlich eingelesen hatten und Beziehungen zwischen Magneten mit einem Mikroskop untersucht hatten, begannen sie zu rechnen. „Quanten kann man nicht messen, dadurch würde man ihre Eigenschaften verändern“, erklärt Lukas Böhm. „Man nähert sich ihnen durch Wahrscheinlichkeitsrechnung an.“

Nun sind die beiden Hobby-Physiker soweit, dass sie mithilfe ihrer Ergebnisse an ersten Versuchsaufbauten tüfteln. Bisher haben die Jugendlichen gut 400 Arbeitsstunden investiert, wie viele noch folgen, bis das Gerät fertig ist, können sie nicht abschätzen. Nur dass es am Ende die Größe eines Esstisches haben wird. Bisher hat den beiden ihre Forschung sehr viel Spaß bereitet und sie sind sich einig, dass sie weitermachen wollen, bis ihr Gerät fertig ist. „Wir sind ein wirklich gutes Team, ergänzen uns gut“, freut sich Sebastian Lew, der 2017 alleine beim Wettbewerb angetreten ist. „Lukas ist gut in Mathe, ist der Ruhigere von uns und ich hab es mit der Technik und rede gerne“, lacht er.

Aber nicht nur um seinen Teampartner ist Sebastian froh, auch um sein großes Netzwerk, das er sich durch seinen Erfolg 2017 aufbauen konnte. Viele Firmen und Professoren gehören dazu, die den Jungs mit Tipps und der entsprechenden Technik weiterhelfen. Auch ihre betreuenden Lehrkräfte, Georg Scholler und Stephan Wimmer, unterstützen sie, wo sie können. Beim morgigen Regionalentscheid von Jugend forscht werden die beiden ihre bisherigen Ergebnisse präsentieren und sind auf die Reaktionen der Jury gespannt. „Bei unserem Projekt kann man ja nicht viel zeigen, alles ist noch sehr theoretisch“, sagt Lukas.

Doch um das Gewinnen geht es den beiden auch nicht, eher um das „Sehen und Gesehen werden“. Sie würden sich freuen, wenn weitere Forscher und Firmen auf sie aufmerksam werden und sie so vielleicht gemeinsam ihren Traum vom Quantencomputer verwirklichen können. Denn eins steht für die beiden fest: So schnell werden sie nicht aufgeben, auch wenn es manchmal schwierig wird oder jemand sagt: „Das ist doch unmöglich!“

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aktualisiert: 03.04.2019