«Die Schweiz kann eine Schlüsselrolle spielen»
ETH-Professor Klaus Ensslin leitete während 12 Jahren den Nationalen Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology». Ende Jahr läuft das Programm aus. Ein Gespräch über wissenschaftliche Durchbrüche und die Rolle der Schweiz in der Quantenforschung.
Herr Ensslin, Ende Jahr endet der Nationale Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology» (NCCR QSIT). Er fiel in eine Zeit, die von der «zweiten Quantenrevolution» geprägt ist. Was versteht man unter diesem Begriff?
Der Begriff «zweite Quantenrevolution» bezieht sich auf die Verschränkung von Quantenobjekten, das heisst, dass man in der Lage ist, mehrere Quantenobjekte zu kontrollieren. Diese Entwicklung begann in den 1980er-Jahren. In den letzten Jahren ist der Aspekt des Engineering dazugekommen. Man kontrolliert also nicht nur mehrere Quantenobjekte, sondern baut mit ihnen völlig neue Systeme.
Was war denn die erste Quantenrevolution?
Das war, als man in den 1950er-Jahren Geräte wie den Laser oder den Transistor entwickelte, die ebenfalls auf quantenmechanischen Prinzipien beruhen. Man hat also einen bestimmten quantenmechanischen Aspekt technisch nutzbar gemacht. Heute jedoch baut man mit Quantenobjekten Dinge, die es vorher nicht gab. Mein Kollege Tilman Esslinger zum Beispiel baut optische Gitter, in die er kalte Atome setzt, so dass völlig neue Zustände entstehen. Oder Yiwen Chu, die mechanische Oszillatoren kohärent an supraleitende Schaltkreise koppelt. Das sind alles Sachen, die es in der Natur nicht gibt.
Die Quantenforschung befasst sich heute mit völlig unterschiedlichen Systemen. Ist diese thematische Breite auf Dauer sinnvoll, um zum Beispiel einen Quantencomputer zu bauen? Oder zeichnet sich eine Fokussierung auf bestimmte Technologien ab?
Irgendwann wird es in der Quantentechnik eine Fokussierung geben, so wie in anderen Technikbereichen auch. Die grossen Firmen haben ihre Wahl schon getroffen. Microsoft hat sich für topologische Qubits entschieden, Google und IBM arbeiten mit supraleitenden Schaltkreisen. Ich denke aber, es dauert noch mindestens 10 Jahre, bis wir wissen, welches die beste Technologie ist. Es könnte auch sein, dass wir sie noch gar nicht kennen. Es wäre also verfrüht, uns jetzt schon einzuschränken.
Wenn Sie auf den NCCR QSIT zurückblicken: Was sind aus Ihrer Sicht die wichtigsten Errungenschaften?
Wissenschaftlich haben wir in den meisten Gebieten Meilensteine erreicht. An der ETH Zürich haben wir zum Beispiel die Fehlerkorrektur von Quantensystemen verbessert oder Fortschritte bei der Beherrschung von immer grösseren Quantenobjekten erzielt. Unseren Kollegen an der Universität Genf gelang es, quantenverschlüsselte Informationen über 550 Kilometer zu übermitteln. Das war ein Weltrekord. An der Universität Basel gelang es, zwei unterschiedliche Quantensysteme über Glasfasern miteinander zu verbinden. Solche Schritte sind für die Zukunft wichtig, denn wir werden vermutlich vermehrt mit hybriden Technologien arbeiten. Ein grosser Erfolg ist zudem, dass die Mitglieder des NCCR QSIT ungefähr 40 ERC-Grants eingeworben haben. Das gab unserer Forschung zusätzlichen Schub.
«Die Wissenschaft läuft wirklich gut, die Schweiz hat mit der Quantenforschung eine Perle, die geopfert wird. Die Konsequenzen werden wir in einigen Jahren spüren.»Klaus Ensslin
Wie geht es nach dem Ende des NCCR QSIT weiter?
Unter der Führung von Andreas Wallraff wurde an der ETH Zürich ein neues Quantum Center gegründet, das die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Departementen unterstützen wird. Ähnliche Zentren gibt es in Basel, Genf und Lausanne. Auf nationaler Ebene startet im Januar 2023 die neue Swiss Quantum Initiative, welche die verschiedenen Akteure vernetzen wird. Alle beteiligten Universitäten sind sich einig: Die Quantenforschung ist ein heisses Thema. Deshalb hat die EU 2018 ja auch das milliardenschwere Quantum Flagship gestartet.
Gerade von diesem grossen Forschungsprogramm sind Schweizer Forschende nun aber ausgeschlossen.
Bei der ersten Runde des Quantum Flagship hat die Schweiz 25 Millionen Euros an Forschungsgeldern eingeworben, sie war bei 6 von 20 Projekten beteiligt. Zum Vergleich: Deutschland hat 40 Millionen eingeworben, alle anderen Länder weniger. Die Schweiz hat also überproportional stark partizipiert. Bei der zweiten Runde ist nun niemand mehr von uns dabei. Es gibt zwar ein Ersatzprogramm, das der Nationalfonds finanziert, aber das ist natürlich nicht das Gleiche.
Schadet sich die EU mit dieser harten Haltung nicht selber?
Das denke ich auch. Die Forschenden in der EU wollen uns eigentlich dabei haben. Aber das nützt nichts. Die Wissenschaft ist in diesem Fall die Geisel der Politik.
Wie ist das für Sie als Betroffener?
Das tut weh. Die Wissenschaft läuft wirklich gut, die Schweiz hat mit der Quantenforschung eine Perle, die geopfert wird. Die Konsequenzen werden wir in einigen Jahren spüren. Für mich als etablierter Forscher sind die Folgen erträglich, ich habe mein Netzwerk aufgebaut. Aber für die jungen Forscherinnen und Forscher sind die Konsequenzen dramatisch.
Ein anderer Einflussfaktor sind die grossen Tech-Firmen, die gewaltige Summen in die Quantenforschung investieren. Ein Glücksfall für die Forschung?
Das Engagement der grossen Firmen hat verschiedene Konsequenzen für die akademische Forschung. Teile unseres Gebietes werden von Geld überschwemmt, so dass viele gute Leute in die Industrie gehen. Sogar ein ETH-Physikprofessor wurde von einer grossen Firma schon abgeworben, das ist ungewöhnlich. Aus dem grossen Engagement der Firmen ergeben sich jedoch auch neue Möglichkeiten zur Zusammenarbeit – mit all ihren Vor- und Nachteilen.
Das heisst konkret?
Man kann dank diesen Kollaborationen technisch komplexe Projekte realisieren, die sonst nicht möglich wären. Die Industrie arbeitet professionell und treibt einzelne Bereiche schnell vorwärts. Die Kehrseite: Die Firmen haben enge Zielvorgaben. Sie legen genau fest, wann sie wo sein wollen. Das nimmt der Forschung Freiräume. Andererseits erhalten wissenschaftliche Fortschritte im universitären Umfeld eine viel grössere Aufmerksamkeit, da es ja der nächste entscheidende Durchbruch sein könnte für das gesamte Gebiet.
NCCR QSIT
Der Nationale Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology» (NCCR QSIT) startete 2011 und wurde zwei Mal verlängert. Die ETH Zürich war dabei Leading House, zusammen mit der Universität Basel als Co-Leading House. Am NCCR QSIT haben sich auch die EPF Lausanne, die Universität Genf, das IBM Forschungslabor Zürich sowie die Università della Svizzera italiana in Lugano beteiligt.
Der NCCR QSIT verbindet Quantenphysik und Informationstheorie, zwei zentrale Forschungsfelder, die sich im 20. Jahrhundert etabliert haben, um daraus Technologien für das 21. Jahrhundert zu entwickeln.
Neben den grossen Tech-Firmen investieren auch die USA und China grosse Summen in die Quantenforschung. Kann Europa da mithalten?
In der Grundlagenforschung können wir gut mithalten, da ist Europa führend. Was uns fehlt, sind grosse Firmen, die ein Wagnis auf sich nehmen. Immerhin haben wir hier in Zürich das IBM-Forschungslabor, mit dem wir seit Jahren gut zusammenarbeiten.
Welche Rolle spielen Spin-off Firmen, die aus dem NCCR QSIT entstanden sind?
Die darf man nicht unterschätzen. Diese Firmen setzen zwar keine Milliarden um, aber sie sind hoch innovativ. Die Schweiz hat das Potenzial, in der Quantentechnik eine ähnliche Schlüsselrolle zu spielen wie in der Automobilindustrie. Sie stellt zwar selbst keine Autos her, hat aber viele wichtige Zulieferfirmen.
Wie ist die Bilanz in der Lehre, in erster Linie beim Masterstudiengang Quantum Engineering, der 2019 eingeführt wurde?
Die ETH Zürich war die erste Hochschule mit einem solchen Studiengang. Inzwischen gibt es ähnliche Angebote auch in Lausanne und Genf. Die bisherigen Erfahrungen sind sehr gut. Wir haben fantastische und motivierte Studierende. Davon profitieren wir alle. Der grosse Engpass in der Quantenforschung sind spezialisierte Fachkräfte.
Welchen Beitrag hat der NCCR QSIT in Bezug auf die Frauenförderung geleistet?
In den letzten Jahren hat sich im Departement Physik einiges getan und wir haben mehrere junge Professorinnen berufen. Beim NCCR QSIT haben wir von der Anstellungspolitik der Hochschulen profitiert. Inzwischen machen deutlich mehr Frauen in der Quantenforschung ihre Doktorarbeit. Ein wichtiges Förderinstrument, das wir beim NCCR QSIT entwickelt haben, sind die Inspire-Awards, mit denen wir Frauen auf Stufe Master und Postdoktorat fördern. Diese Auszeichnungen werden inzwischen auch von anderen Nationalen Forschungsschwerpunkten vergeben sowie im neuen Quantum Center an der ETH Zürich. Aber natürlich müssen wir weiter an einer offenen und inklusiven Kultur für die Quantenforschung arbeiten.
Zur Person
Klaus Ensslin ist seit Oktober 1995 Professor für Experimentalphysik am Laboratorium für Festkörperphysik der ETH Zürich. In seiner Forschung untersucht er elektronische Eigenschaften neuartiger Halbleiter-Bauelemente. Ein wichtiges Ziel der Arbeitsgruppe ist die immer bessere Kontrolle der Quanteneigenschaften von Elektronen in Nanostrukturen. Klaus Ensslin war Mitinitiator und Direktor des NCCR QSIT.