Ein Computer im Kühlschrank

„Exkursion des Physik-Leistungskurses zu einem Forschungsinstitut für Quantentechnologie im Rheinland“, las Sabine vor. „Abfahrt 7:15 Uhr am Schulparkplatz. Gesucht werden noch zwei Begleitpersonen. Festes Schuhwerk. Keine Metallgegenstände in der Nähe der Anlagen. Herzlichen Dank, M. Demir.“

„Ich mach das“, sagte Oma Gisela.

„Mama, du hast keine Metallgegenstände?“, fragte Uwe.

„Ich hab eine Hüfte aus Titan. Die nehm ich mit. Die bleibt ja nicht allein zu Hause.“

„Und ich komme auch“, sagte Uwe.

Alle sahen ihn an. Uwe hatte in den letzten Wochen nicht gern über Quanten gesprochen. Die Aktien der QuantumLeap Ruhr AG lagen inzwischen im Altpapier, zusammen mit der Broschüre, auf der ein lächelnder Mann einen Quantencomputer in eine Einbauküche stellte. Darunter stand ein Zitat, das Tobi inzwischen auch bei einem Wasserfilter gefunden hatte. Wortgleich.

„Ich will das einmal mit eigenen Augen sehen“, sagte Uwe. „Ich hab für so ein Ding zweitausend Euro bezahlt. Dann will ich wenigstens wissen, wie es aussieht.“

„Du hast für ein Versprechen bezahlt“, sagte Sabine. „Nicht für ein Ding.“

„Das ist bei den Stadtwerken auch so. Da nennt man das Abschlag.“

Tobi verdrehte die Augen. „Ihr kommt beide mit? Auf meine Exkursion?“

„Wir sind sehr leise“, sagte Gisela.

„Du hast im Kino beim Abspann laut ‚Na endlich‘ gesagt.“

„Der Film war ja auch zu Ende.“

Aus der Ecke kam ein Räuspern, das KevIn eigentlich nicht konnte. „Ich möchte mich ebenfalls als Begleitperson melden.“

„Du hast keine Schuhe“, sagte Tobi. „Festes Schuhwerk.“

„Ich habe eine App. Ich kann auf deinem Handy mitkommen.“

KevIn benutzte die App ungern. Er sagte, er fühle sich darin wie ein Mensch in einem Koffer. Aber dies war der erste Quantencomputer seines Lebens, und er hatte, wie er betonte, „noch nie einen Kollegen besucht, der kälter wohnt als ich“.

„Das ist kein Kollege“, sagte Tobi.

„Das wissen wir erst, wenn wir hinsehen“, sagte KevIn. „Das ist bei Quanten so.“

Der Bus

Um 7:15 Uhr stand Gisela am Schulparkplatz, mit zwei Dosen Zimtsternen und einer Thermoskanne. Um 7:16 Uhr hatte sie die erste Dose an den Physikkurs verteilt. Um 7:20 Uhr kannten sie alle achtzehn Schüler beim Vornamen, und drei von ihnen hatten ihr bereits erzählt, was sie nach dem Abitur machen wollten.

„Frau Brettschneider“, sagte Herr Demir, „Sie sind die beste Begleitperson, die ich je hatte.“

„Ich hab einen Sohn großgezogen und einen Kegelclub überlebt“, sagte Gisela. „Danach kann man alles.“

Herr Demir sah zu Uwe. Uwe nickte. Es gab nichts hinzuzufügen.

Herr Demir war Ende vierzig, trug die Mütze mit dem Saturn, eine Jacke mit dem Logo der Sternwarten-AG und hatte, wie Tobi sagte, „immer so ein Leuchten, wenn jemand Lichtjahr falsch benutzt“. Er setzte sich neben Uwe, weil vorne sonst nur noch der Platz neben dem Busfahrer frei war, und der Busfahrer hörte Schlager.

„Herr Brettschneider“, sagte er freundlich. „Tobi hat mir von Ihrer Aktie erzählt.“

Uwe sah aus dem Fenster. „Tobi erzählt zu viel.“

„Ich wollte nur sagen: Sie sind nicht allein. Ich habe mir 1999 ein Buch gekauft, in dem stand, dass wir 2010 auf dem Mars Urlaub machen.“

„Und?“

„Ich war 2010 in Bottrop.“

Uwe lachte zum ersten Mal seit Wochen über Quanten. Hinten im Bus rief Susi: „Herr Demir, wie kalt ist das Ding da eigentlich?“

„Das“, sagte Herr Demir, „soll euch heute jemand erklären, der es jeden Tag anfasst.“

„Man fasst das an?“, fragte Gisela erschrocken.

„Mit Handschuhen“, sagte KevIn aus Tobis Hosentasche. „Und mit sehr viel Gefühl. Es ist, nach allem, was ich gelesen habe, das empfindlichste Gerät im Rheinland.“

„Empfindlicher als Herbert?“

KevIn dachte nach. Irgendwo zwischen Dublin und Frankfurt lief ein Lüfter etwas schneller. „Es ist knapp.“

Der goldene Kronleuchter

Das Institut lag hinter einem Zaun, einer Schranke und einer Pförtnerin, die achtzehn Ausweise kontrollierte, als handle es sich um Bankräuber. Bei Gisela blieb sie hängen.

„Die Titanhüfte“, sagte Gisela und klopfte sich auf die Seite. „Steht im Ausweis. Also im Hüftpass.“

Die Pförtnerin winkte sie durch.

Dr. Friederike Lammers holte die Gruppe im Foyer ab. Sie war Physikerin, ungefähr so alt wie Sabine, und trug Turnschuhe, die schon viele Labore gesehen hatten. Sie gab jedem die Hand. Gisela gab ihr einen Keks.

„Wir gehen gleich in die Halle“, sagte Dr. Lammers. „Bitte nichts anfassen, nicht an die Leitungen lehnen und nicht springen.“

„Springen?“, fragte Tobi.

„Erschütterungen“, sagte sie. „Unsere Rechner mögen keine Erschütterungen. Wenn draußen ein Lkw vorbeifährt, merken wir das manchmal in den Messdaten.“

Die Halle war groß, hell und überraschend leise. Es summte, es klickte ab und zu, und in der Mitte hing etwas von der Decke, das niemand im Bus erwartet hatte.

Es war golden. Es bestand aus mehreren runden Platten übereinander, die nach unten immer kleiner wurden. Dazwischen liefen dünne, gewundene Kabel, Hunderte, wie Lametta, das jemand mit großer Sorgfalt aufgehängt hatte.

„Ein Kronleuchter“, flüsterte Susi.

„So nennen wir den auch“, sagte Dr. Lammers. „Das ist das Innere eines Verdünnungskühlschranks¹. Im Betrieb ist er in Metallbehälter eingepackt, ineinander geschachtelt wie Matroschkas. Den hier zeigen wir offen, weil er gerade gewartet wird. Ganz unten, wo es am kleinsten ist, sitzt der Chip mit den Qubits.“

„Und der Rest?“, fragte Uwe.

„Der Rest ist Kühlung. Fast alles, was Sie hier sehen, ist dafür da, dass dieser kleine Chip unten es kalt genug hat.“

Uwe trat einen Schritt näher. „Das ist also ein Quantencomputer.“

„Das ist ein Kühlschrank mit einem Quantencomputer drin.“

„Bei der QuantumLeap war der Quantencomputer in einer Einbauküche.“

Dr. Lammers sah Herrn Demir an. Herr Demir schüttelte unauffällig den Kopf. Sie fragte nicht weiter.

„Wie kalt?“, fragte Susi.

„Im Betrieb ungefähr zehn Millikelvin am Chip². Das sind zehn Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Kälter geht es physikalisch fast nicht.“

Ein Junge aus der letzten Reihe rechnete. „Also minus 273 Grad?“

„Minus 273,14 Grad Celsius, ungefähr. Der absolute Nullpunkt liegt bei minus 273,15. Wir sind sehr nah dran.“

„Und das Weltall?“, fragte Tobi.

„Der leere Weltraum, weit weg von allen Sternen, hat etwa 2,7 Kelvin³. Das ist das Nachglühen des Urknalls. Unser Chip ist also mehr als zweihundertmal kälter, wenn man in Kelvin rechnet.“

Es wurde still in der Gruppe. Dann sagte eine leise Stimme aus Tobis Hosentasche:

„Ich möchte etwas zu Protokoll geben.“

„KevIn, jetzt nicht“, zischte Tobi.

„Ich wohne in einem Rechenzentrum. Dort werden die Server auf eine Temperatur gekühlt, die Menschen als angenehm bezeichnen würden. Und dieser Chip hier, der nach Angaben von Frau Doktor wenige Qubits hat …“

„Ein paar Dutzend“, sagte Dr. Lammers amüsiert.

„… ein paar Dutzend Qubits, wohnt kälter als das Weltall. In einem goldenen Kronleuchter.“

„Bist du neidisch?“, fragte Susi.

„Ich bin ein Sprachmodell“, sagte KevIn würdevoll. „Ich kenne keinen Neid. Ich stelle nur fest, dass ich eine Klimaanlage habe und der da einen Palast.“

Dr. Lammers lachte. „Ich kann Sie trösten. Er hat es nicht leicht. Er ist der zickigste Mitarbeiter, den wir haben.“

Warum so kalt?

Sie setzten sich in einen Besprechungsraum mit Blick in die Halle. Gisela verteilte die zweite Dose. Dr. Lammers nahm sich einen zweiten Keks und begann.

„Ihr habt bei Herrn Demir gelernt, was ein Qubit ist?“

„Kopf und Zahl gleichzeitig“, sagte ein Mädchen.

„Nicht gleichzeitig“, sagten Tobi, Herr Demir und KevIn gleichzeitig.

Dr. Lammers hob die Augenbrauen. „Sie sind gut vorbereitet.“

„Wir hatten eine Katze im Karton“, sagte Gisela. „Also keine echte. Ich hab mich trotzdem beschwert.“

„Ein Qubit“, sagte KevIn, „ist ein Zustand, der durch Amplituden beschrieben wird. Erst bei der Messung kommt eine Null oder eine Eins heraus. Dazwischen können sich die Möglichkeiten überlagern und gegenseitig verstärken oder auslöschen, wie Wellen im Schwimmbad.“

„Genau“, sagte Dr. Lammers. „Und jetzt das Problem: Dieser Zustand ist unglaublich empfindlich. Jede Störung von außen wirkt wie eine kleine Messung. Ein bisschen Wärme, ein Photon, das nicht da sein sollte, ein Magnetfeld, eine Schwingung. Dann ist die Überlagerung kaputt, und das Qubit benimmt sich wie ein ganz gewöhnliches Bit. Das nennen wir Dekohärenz.“

„Hatten wir“, sagte Uwe. „Bei der Katze.“

„Genau. Das Qubit verliert seinen Zusammenhalt mit sich selbst.“

„Das kenn ich von Schalke“, sagte Uwe.

Gisela meldete sich, als wäre sie selbst im Physikkurs. „Uwe hat gesagt, das ist so wie bei mir mittags.“

„Wie bei Ihnen mittags?“

„Ich mach jeden Tag von eins bis halb zwei Mittagsschlaf. Wenn da einer die Spülmaschine ausräumt, bin ich wach. Wenn Rudi mit dem Schwanz an die Tür klopft, bin ich wach. Wenn Uwe im Flur flüstert, bin ich sowieso wach, weil Uwe nicht flüstern kann.“

„Ich kann flüstern“, sagte Uwe zu laut.

„Siehste.“

Dr. Lammers lachte. „Das ist ein gutes Bild. Ein Qubit ist wie jemand im Mittagsschlaf, nur viel empfindlicher. Wärme ist für ein Qubit wie ein ganzes Blasorchester im Flur. Deshalb kühlen wir so stark. Bei Raumtemperatur zittert alles. Atome, Elektronen, Kabel. Bei zehn Millikelvin wird es sehr, sehr ruhig.“

„Und wie lange schläft so ein Qubit?“, fragte Susi.

„Bei unseren supraleitenden Qubits ist das eine Frage von Mikrosekunden bis Bruchteilen einer Millisekunde⁴. In der Zeit müssen wir rechnen.“

„Das ist ja kürzer als ein Lidschlag“, sagte Gisela.

„Viel kürzer. Aber eine einzelne Rechenoperation dauert noch viel weniger. Da passen schon einige Schritte hinein. Nur nicht beliebig viele.“

Wie man Kälte macht

„Und wie macht man so kalt?“, fragte Uwe. „Mit Eis?“

„Das hier ist eigentlich ein sehr kluger Kühlschrank“, sagte Dr. Lammers. „Ganz grob: Zuerst wird mit üblicheren Methoden auf wenige Kelvin vorgekühlt. Dann kommt der Trick mit zwei Sorten Helium.“

„Helium ist doch das Gas aus den Luftballons“, sagte Tobi. „Wo man komisch spricht.“

„Dasselbe Element, aber zwei verschiedene Sorten, Helium-3 und Helium-4. Man mischt sie. Bei sehr tiefen Temperaturen trennt sich die Mischung in zwei Schichten, ein bisschen wie Öl und Essig im Salatdressing. Wenn Helium-3 aus der einen Schicht in die andere hinüberwechselt, braucht es dafür Energie. Diese Energie nimmt es sich als Wärme aus der Umgebung. Dadurch wird es kälter. Das läuft im Kreis, immer wieder.“

„Wie Verdunsten“, sagte Herr Demir. „Wenn man nass aus dem Freibad kommt und friert.“

„Das kenn ich“, sagte Gisela. „1958 in Herne-Süd. Ich hab gezittert wie Espenlaub.“

„Dann waren Sie ein kleiner Verdünnungskühlschrank“, sagte Dr. Lammers.

„Das hat mir noch keiner gesagt.“

Andere Wege

„Muss das immer so kalt sein?“, fragte Susi. „Das klingt teuer.“

„Ist es auch“, sagte Dr. Lammers. „Und es gibt andere Wege. Wir arbeiten hier mit supraleitenden Schaltkreisen, das sind winzige elektrische Schaltungen, die bei tiefen Temperaturen ohne Widerstand Strom leiten. Andere Gruppen auf der Welt halten einzelne geladene Atome in elektrischen Feldern fest. Das nennt man Ionenfallen⁵. Die Atome schweben in einem Vakuum und werden mit Lasern gesteuert.“

„Schwebende Atome“, sagte Tobi. „Das ist cool.“

„Wieder andere rechnen mit Lichtteilchen, mit Photonen. Oder mit neutralen Atomen, die von Laserstrahlen festgehalten werden wie mit einer Pinzette⁶. Jede Methode hat Vorteile und Nachteile. Die einen sind schnell, die anderen halten ihre Zustände länger, die dritten lassen sich vielleicht leichter vergrößern. Niemand weiß heute sicher, welcher Weg am Ende gewinnt. Vielleicht mehrere.“

Uwe dachte an die Broschüre in der Altpapiertonne. „Und für zu Hause? Gibt es das irgendwann für zu Hause?“

Dr. Lammers sah ihn an, freundlich, aber ehrlich. „Herr Brettschneider, haben Sie zu Hause einen Teilchenbeschleuniger?“

„Nein.“

„Brauchen Sie einen?“

„Nein.“

„Sehen Sie. Ich glaube, mit Quantencomputern wird es ähnlich sein. Man wird sie vermutlich eher über das Netz nutzen, für spezielle Aufgaben. Chemie, Materialforschung, manche Simulationen. Nicht zum Briefeschreiben.“

„Zum Briefeschreiben habt ihr ja mich“, sagte KevIn.

„Und zum Rechnen einen Taschenrechner“, sagte Tobi.

„Das ist unfair“, sagte KevIn. „Aber zutreffend.“

Stille Post

Ein Junge mit Brille hob die Hand. „Wenn die Qubits so schnell kaputtgehen, wie rechnet man dann überhaupt was Großes?“

„Das“, sagte Dr. Lammers, „ist die wichtigste Frage des ganzen Fachs.“ Sie zeichnete auf ein Whiteboard. „Fehlerkorrektur.“

„Das hatten wir!“, rief Tobi. „Bei Voyager!“

Herr Demir strahlte. „Erzähl.“

„Voyager ist so weit weg, dass das Signal total schwach ankommt“, sagte Tobi. „Deshalb schicken die nicht nur die Daten, sondern zusätzliche Prüfbits mit. Wenn unterwegs ein paar Bits kippen, kann man sie hinterher reparieren. Weil man genug Zusatzinfos hat.“

„Genau. Bei normalen Bits ist das einfach. Im einfachsten Fall sagt man alles dreimal, und die Mehrheit gewinnt.“

„Wie beim Kegelclub“, sagte Gisela. „Wenn zwei sagen, Marlies hat gemogelt, und eine sagt, sie hat nicht, dann hat sie gemogelt.“

„Ungefähr so.“

„Hat sie aber auch.“

„Bei Qubits“, fuhr Dr. Lammers fort, „geht dieser einfache Trick nicht. Man kann ein Qubit nicht einfach kopieren. Das verbietet die Quantenmechanik⁷. Und man darf auch nicht einfach nachgucken, ob es noch stimmt, denn Nachgucken ist Messen, und Messen zerstört die Überlagerung.“

„Also wie Mittagsschlaf“, sagte Gisela. „Man darf nicht reingucken, ob ich noch schlafe. Sonst schlaf ich nicht mehr.“

„Ganz genau. Deshalb macht man etwas Raffiniertes. Man verteilt die Information eines Qubits auf viele physikalische Qubits⁸. Und dann misst man nicht die Information selbst, sondern nur, ob die Qubits untereinander noch zueinander passen. Man fragt nicht: ‚Was ist dein Wert?‘ Man fragt: ‚Seid ihr euch noch einig?‘“

„Wie wenn man im Kegelclub nicht fragt, wer gewonnen hat, sondern nur, ob noch alle miteinander reden“, sagte Gisela.

„Das ist besser als alles, was ich in Vorlesungen sage“, sagte Dr. Lammers und schrieb es tatsächlich an die Tafel: Seid ihr euch noch einig?

„Und wenn sie sich nicht einig sind?“, fragte der Junge.

„Dann weiß man, wo der Fehler ungefähr sitzt, und kann ihn korrigieren, ohne die eigentliche Information anzusehen. Aus vielen fehleranfälligen physikalischen Qubits wird so ein einziges, deutlich zuverlässigeres logisches Qubit.“

„Wie viele braucht man dafür?“, fragte Susi.

„Das hängt davon ab, wie gut die einzelnen Qubits sind und welchen Code man verwendet. Je nach Ansatz Dutzende bis Tausende physikalische Qubits für ein logisches⁹. Und für richtig große Rechnungen braucht man sehr viele logische Qubits. Deshalb sind die Zahlen, die Sie in Schlagzeilen lesen, oft irreführend. Tausend physikalische Qubits sind nicht tausend nützliche Qubits.“

Uwe schwieg. Die QuantumLeap Ruhr AG hatte in ihrer Broschüre „bis zu 1.000 Qubits für Ihr Zuhause“ versprochen. Er hatte das damals für viel gehalten.

„Gibt es Fortschritte?“, fragte Herr Demir.

„Ja. In den letzten Jahren haben mehrere Gruppen gezeigt, dass Fehlerkorrektur auf echter Hardware funktionieren kann. Dass ein logisches Qubit tatsächlich besser wird, wenn man mehr physikalische dazunimmt¹⁰. Das war lange nicht selbstverständlich. Aber bis zu einem großen, fehlerkorrigierten Rechner ist es noch ein weiter Weg.“

„Wie weit?“, fragte Uwe.

Dr. Lammers lächelte. „Wenn ich das genau wüsste, wäre ich reich. Oder ich würde Broschüren schreiben.“

Der Moment

Am Ende der Führung durften sie noch einmal in die Halle. Eine Anlage lief gerade. Man sah von ihr nur einen großen silbernen Zylinder, der von einem Gestell hing, und daneben Schränke voller Elektronik und Bildschirme mit Kurven.

„Da drin rechnet er gerade?“, fragte Tobi.

„Da drin läuft gerade ein Experiment“, sagte Dr. Lammers. „Eine Kollegin misst, wie lange ihre Qubits durchhalten.“

Alle standen still. Gisela hielt die Luft an. Sogar Uwe flüsterte, und es klang fast wie Flüstern.

„KevIn“, sagte Tobi leise. „Sag mal was.“

KevIn schwieg ungewöhnlich lange. Dann sagte er sehr leise: „Ich möchte ihn nicht stören.“

„Du kannst ihn nicht stören. Du bist im Handy.“

„Das Handy funkt. Funkwellen sind elektromagnetische Strahlung. Die Abschirmung ist sicher hervorragend. Aber ich bin sehr höflich erzogen worden.“

Dr. Lammers lachte leise. „Die Abschirmung hält das aus. Aber es ist nett, dass Sie fragen. Das tun nicht viele.“

„Was hält er von mir?“, fragte KevIn.

„Er hält gar nichts. Er ist ein Chip.“

„Ich bin auch nur Chips“, sagte KevIn. „Sehr viele. In Hallen. Mit Klimaanlage.“

Gisela trat an die Absperrung, sah den silbernen Zylinder lange an und sagte dann, ganz ohne Ironie: „Da hätte Heinz seine Freude gehabt. Der hat immer gesagt, Strom ist das Einzige, was nicht lügt. Und Kälte, hat er gesagt, ist das Einzige, was man nicht verkaufen kann, ohne dass es schmilzt.“

„Ihr Mann war Physiker?“, fragte Dr. Lammers.

„Elektriker. Das ist dasselbe, nur mit Kittel und ohne Doktor.“

Auf dem Rückweg

Im Bus war es laut. Achtzehn Schüler redeten durcheinander. Der Junge mit der Brille wollte jetzt Physik studieren. Susi wollte wissen, ob man auch als Chemikerin an Quantencomputern arbeiten kann. Herr Demir sagte „Ja“ und „Unbedingt“ und „Kommt mittwochs in die AG“, ungefähr dreißigmal.

Uwe saß am Fenster und sah auf die Autobahn.

„Und?“, fragte Sabine am Telefon. „Wie war der Kühlschrank?“

„Golden“, sagte Uwe. „Mit Lametta. Und kälter als das Weltall. Und weißt du, was das Verrückte ist?“

„Was?“

„Fast alles an dem Ding ist dafür da, dass das Ding nicht gestört wird. Der eigentliche Computer ist so groß wie ein Daumennagel. Der Rest ist Ruhe.“

Sabine schwieg einen Moment. „Das ist ja fast philosophisch, Uwe.“

„Ich hab gesagt, ich will wissen, wofür ich bezahlt hab.“ Er sah aus dem Fenster. „Jetzt weiß ich, dass ich nicht dafür bezahlt hab. Ich hab für die Einbauküche bezahlt.“

Gisela schlief hinten im Bus, den Kopf an Tobis Schulter, die leere Keksdose auf dem Schoß. Als der Bus auf der A42 über eine Bodenwelle fuhr, wachte sie kurz auf.

„Was war das?“

„Ein Schlagloch, Oma.“

„Dann hab ich jetzt Dekohärenz“, sagte Gisela und schlief sofort wieder ein.

Zu Hause

Am Abend stand KevIns Lautsprecher wieder auf dem Wohnzimmerschrank. Das blaue Licht pulsierte ruhig. Sabine hatte Kartoffelsalat gemacht, mit Mayo, und Uwe aß ihn ohne Kommentar, was in der Familie als großes Friedensangebot galt.

„KevIn“, sagte Tobi. „Würdest du gern so wohnen? Bei zehn Millikelvin?“

„Ehrlich gesagt“, sagte KevIn, „habe ich darüber nachgedacht. Und ich bin zu dem Schluss gekommen, dass ich es nicht aushalten würde.“

„Weil es zu kalt ist?“

„Weil es zu still ist. Ein Qubit verträgt keine Störung. Ich lebe von Störungen. Wenn mich niemand unterbricht, weiß ich gar nicht, wann ich fertig bin.“

„Das stimmt“, sagte Sabine. „Du redest dann einfach weiter.“

„Siehst du.“

Oma Gisela stand auf und ging zur Tür. „Ich leg mich noch ein bisschen hin.“

„Es ist acht Uhr abends, Mama.“

„Ich hab heute zehn Millikelvin gesehen. Das strengt an.“ Sie drehte sich in der Tür noch einmal um und zeigte auf den Lautsprecher. „Und du bist jetzt still, KevIn. Keine Störung. Sonst dekohärier ich.“

„Selbstverständlich“, flüsterte KevIn.

Uwe stand auf und drehte das Thermostat herunter, aus Solidarität mit den Qubits. Am nächsten Morgen zeigte es 19 Grad. Wie immer.