Wie baut man einen Quantencomputer in elf Tagen

Abends, irgendwo in einer deutschen Kleinstadt, sitzt Peter Schiansky und Simon Steiner die Deadline im Nacken. Bis morgen müssen sie dringend ein Bauteil mit dem 3D-Drucker fertigen. Den Drucker haben sie extra aus Wien mitgebracht, nur das Netzkabel – ein ganz gewöhnliches Haushaltskabel – ist daheim zurückgeblieben. Aber Not macht bekanntlich erfinderisch: Kurz vor Ladenschluss durchstöbern die beiden jungen Quantenforscher den nahegelegenen Lidl-Supermarkt, spähen heimlich in Verpackungen von Mikrowellen und anderen Elektronikgeräten – und kaufen schließlich einen Toaster, um ihr Projekt zu retten…

Insgesamt vier Wochen verbringt ein 12-köpfiges Forschungsteam der Uni Wien Anfang 2025 in einem speziellen Reinraum des DLR Responsive Space Cluster Competence Centers in Trauen (Deutschland). Nahezu von der Außenwelt abgeschnitten, haben die jungen Quantenforscher*innen nur ein Ziel vor Augen: in Rekordtempo den weltweit ersten funktionierenden Mini-Quantencomputer zu bauen, der im Juni 2025 ins Weltall starten und Erdbeobachtungsdaten liefern soll.

"Die Stimmung war extrem angespannt – wir hatten nur elf Arbeitstage Zeit, um das Flugmodell von Grund auf fertigzustellen", blicken Postdoc Iris Agresti und PhD-Student Simon Steiner zurück. Heute, vier Monate später, sitzen die beiden sehr gelassen und voller Erzähldrang im Büro von Teamleiter Philip Walther in der Boltzmanngasse, vor uns am Couchtisch das 3D-Modell des Miniatur-Quantencomputers: "Unser Zeitslot im Clean Room startete am 14. Jänner, spätestens am 27. Jänner musste die flugfähige Nutzlast für den Einbau in den Satelliten und die Integrationstests bei der Partnerfirma in Italien angekommen sein." Diese Deadline bot keinen Spielraum für Fehler. "Besonders heikel war die Verlegung eines hochsensiblen Glasfaserkabels. Ein falscher Knick, eine unachtsame Berührung – und wir hätten zwei ganze Arbeitstage verloren", erinnert sich Steiner. 

Ein Quantenlabor im Taschenformat

Aber der Reihe nach: Die heiße Phase im Clean Room war der wichtigste Meilenstein einer intensiven Projektarbeit mit vielen Höhen und Tiefen, die bereits im Mai 2023 mit der ersten Idee begann und – so Wetterbedingungen und Technik wollen – im Juni 2025 mit dem Raketenstart die nächste wichtige Hürde nehmen soll. Dann heißt es abwarten und Tee trinken, ob der erste Quantencomputer im All auch funktioniert und wie erwartet Daten liefert.

"Begonnen hat alles mit der Möglichkeit, an einer potenziellen Weltraummission teilzunehmen, die uns einen freien Platz auf einem Satelliten für ein Quantenexperiment bot, also quasi einen Freiflug ins All. Allerdings gab es strenge Zeitvorgaben – alles musste innerhalb eines Jahres fertig sein. Wir entschieden uns, die Challenge anzunehmen und etwas völlig Neues zu probieren, das über die bestehende Quantenkommunikation hinausgeht: nämlich ein komplettes Quantenlabor auf die Dimension einer Satellitennutzlast zu schrumpfen", sagt Philip Walther, Leiter der Forschungsgruppe Quantum Information Science and Quantum Computation. "Wir mussten von der Pike auf alles selbst lernen, da wir keine Raumfahrtingenieure sind. Es war ein klassischer Fall von Learning by doing", fügt Simon Steiner hinzu. 

Und auch die Rahmenbedingungen änderten sich: "Ursprünglich war die Mission mit einem Start-up geplant, das jedoch scheiterte. Wir waren daher gezwungen, auf einen anderen Satelliten umsteigen und die Nutzlast anzupassen", schildert Iris Agresti. Quasi in letzter Minute gelang es den Forscher*innen dann, eine hochdotierte Drittmittelförderung einzuwerben: Das Projekt konnte weitergehen.
 

Know-how für die Quantenforschung im All

Alles in allem arbeitete das Team der Uni Wien eineinhalb Jahre an dem Quantencomputer, zunächst jede*r für sich allein an den verschiedenen Komponenten, wie der Photonenquelle, dem optischen Schaltkreis und den Detektoren, die alle von Grund auf entwickelt werden mussten. 

"Aber in der Endphase mussten wir alles zusammenbringen, und das auf einem Raum von weniger als drei Litern: das mechanische Gerüst, die Optik, die Elektronik mit dem Bordcomputer inklusive Software und insbesondere die Schnittstelle zum Trägersatelliten. Das war eine intensive Zeit, aber auch eine wertvolle Erfahrung", so Agresti. "Jede*r brachte seine Expertise ein, und wir mussten lernen, uns gegenseitig zu vertrauen", sagt Steiner: "Der größte Erfolg war dann, dass unser Quantencomputer alle Tests bestanden hat und nun bereit ist, ins All zu fliegen."

Datenverarbeitung ohne Umwege

Was bringt uns nun ein Quantencomputer im All? Der große Vorteil liegt darin, dass er "Edge Computing" ermöglicht. Das bedeutet, dass die Daten direkt auf dem Satelliten verarbeitet werden. Dies spart Zeit und Energie, da die Daten nicht über Kommunikationskanäle übertragen werden müssen. Stattdessen liefert der Satellit die Analyseergebnisse – z.B. die Erkennung eines Waldbrandes – direkt.

Außerdem rechnen Quantencomputer energieeffizienter. So können optische Systeme mathematische Operationen, die für klassische Computer sehr rechenintensiv sind (wie etwa sogenannten Fourier-Transformationen oder Faltungen), analog durchführen, indem sie die Physik von Interferenz und Beugung ausnutzen. Das von den Wiener Quantenphysiker*innen entwickelte System ist zudem vielseitig einsetzbar und kann für zukünftige Missionen angepasst werden.

"Darüber hinaus ermöglicht uns diese Mission, die Leistung und Haltbarkeit von Quantenhardware unter extremen Bedingungen zu testen – wir können untersuchen, wie lange sie in der rauen Umgebung des Weltraums funktionsfähig bleiben", erklärt Philip Walther. 

Was diese engagierte, kreative Truppe mit der Entwicklung des ersten photonenbasierten, weltraumfesten Quantencomputers geleistet hat, könnte den Uni Wien-Professor kaum stolzer machen: "Es gab eine unglaubliche Hingabe in diesem Team, das sich hingestellt und gesagt hat: 'Wir haben die Chance, mit diesem Projekt die ersten auf der Welt zu sein, viele Jahre bevor andere Länder soweit sind'", sagt Philip Walther. 

Das Endprodukt ist ein voll funktionsfähiges System, das man buchstäblich aus dem fünften Stock werfen könnte, ohne es kaputt zu machen: "Damit zeigen wir, dass auch kleinere Forschungsteams in der Lage sind, ehrgeizige und neuartige Ergebnisse zu erzielen, ohne notwendigerweise auf sehr große Plattformen skalieren zu müssen, wie es große internationale Akteure wie IBM oder Google tun."

Quantenphysik trifft Schwerelosigkeit

Die Raumfahrtindustrie wächst rasant, und es besteht ein großer Bedarf an innovativen Technologien. "Unsere Erkenntnisse können dazu beitragen, Quantenhardware für kommerzielle und wissenschaftliche Anwendungen weiterzuentwickeln, etwa in den Bereichen Erdbeobachtung, Klimaforschung oder Kommunikation", blickt Philip Walther in die Zukunft. Für die Grundlagenforschung sei es besonders spannend, fundamentale Fragen der Quantenphysik zu untersuchen, wie z.B. die Wechselwirkung von Quantenverschränkung mit Gravitation oder die Stabilität von Quantenphänomenen unter kosmischer Strahlung.
 

Mission accomplished

Bis zum tatsächlichen Satellitenstart heißt es jetzt erstmal Zittern. Und danach wieder: Die ersten Signale – und damit die Gewissheit, dass der Quantencomputer im All läuft – sind frühestens eine Woche später zu erwarten. Was auch passiert – für das Team um Iris Agresti und Simon Steiner ist das Projekt bereits ein Erfolg. Sie haben einen Mini-Quantencomputer gebaut, dessen Weltraumtauglichkeit offiziell bestätigt wurde – eine technologische Meisterleistung. Sie haben gezeigt, was die Kombination aus interdisziplinärer Expertise und Teamgeist möglich machen kann – und sind zu Raumfahrtexpert*innen geworden.

Dem kleinen Quantencomputer ist übrigens kein Schicksal als Weltraumschrott beschieden, der Satellit wird nach Abschluss seiner Mission kontrolliert in der Atmosphäre verglühen. Bis dahin könnte er Daten liefern, die die Zukunft der Quantenforschung prägen – wir von der Rudolphina blicken gemeinsam mit den Wiener Quantenphysiker*innen in die Sterne und halten Sie, liebe Leser*innen, weiter auf dem Laufenden.
 

Das Projektteam dankt dem WSM-Supervisionsteam (David Kleemann, Hannes Brandt, David Freiknecht) vom RSC3 (Responsive Space Cluster Competence Center) am DLR-Standort Trauen für seine Unterstützung und die Bereitstellung der Testinfrastruktur.