Für Daniel Miller begann alles mit seiner Zuneigung zur reinen Mathematik und insbesondere zur linearen Algebra. Dass er sich der Quanteninformationstheorie zuwandte, war eine logische Konsequenz, denn im Gegensatz zu anderen Bereichen der theoretischen Physik ist diese stark von der linearen Algebra geprägt und nicht von der Analysis oder anderen mathematischen Teildisziplinen.

Schon früh begann Miller seinen Weg in die Quanteninformationstheorie. Noch während er sein Studium der Physik und Mathematik an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf absolvierte, war er bereits Co-Autor von fünf wissenschaftlichen Publikationen. Damals ahnte er noch nicht, dass dieser Weg ihn direkt an einen der spannendsten Orte der industriellen Quanteninformationsforschung führen würde – mit greifbaren Ergebnissen, die weit über das Forschungslabor hinausgehen. Heute arbeitet Miller bei IBM Research an der Zukunft der Informatik, bei der Quantencomputer ein zentraler Grundbaustein sind.

In seinen Veröffentlichungen als Student untersuchte Miller Technologien wie Quantenrepeater, die beim Aufbau eines zukünftigen Quanteninternets helfen könnten, indem sie den Verlust von Lichtquanten (Photonen) über große Entfernungen in Quantennetzwerken kompensieren. Er beschäftigte sich auch mit dem wichtigen Thema der Quantenfehlerkorrektur – einer Voraussetzung für das langfristige Ziel, einen brauchbaren universellen Quantencomputer zu bauen. Millers Forschungen zur Quantenfehlerkorrektur sind bereits in die erste Demonstration eines vollständigen Quantenfehlerkorrekturcodes eingeflossen. Und er wagte sich sogar auf das Gebiet der Quantenkryptographie, die sich mit der Verwendung von Photonen zur Absicherung von Kommunikation beschäftigt.

Nach seinen beiden Masterabschlüssen war Miller auf der Suche nach inspirierenden Promotionsprojekten. Und er fand schnell eine gute Entsprechung für seine Interessen und Fähigkeiten in der Quantentechnologie-Gruppe im IBM Research Europe Labor in Rüschlikon bei Zürich. Seine Stelle ist Teil des QUSTEC-Programms, das junge Quantenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler an den Universitäten Basel, Freiburg, Strasbourg sowie am Karlsruher Institut für Technologie, dem Walther-Meißner-Instituts bei München und von IBM Research miteinander verbindet.

„IBM Research ist in der Community hoch angesehen. Mit meinem Hintergrundwissen in der Quanteninformationstheorie ist IBM Research in Zürich zweifellos für mich der beste Ort in Europa, um zu promovieren. Ich hoffe, in den nächsten vier Jahren meine Expertise auf die Quantenchemie und die Physik von Hole-Spin-Qubits in Silizium-Quantenpunkten ausweiten zu können“, sagt Miller.

Mit seinem Einstieg in die Quantenchemie freut sich Miller, zur Lösung einiger der größten Herausforderungen für Quantenalgorithmen beizutragen. „Es gibt zwei heilige Grale in der Quantenchemie, die mit Quantencomputern erreicht werden könnten. Der erste ist die Entwicklung eines Katalysators für die Ammoniak-Synthese durch Simulation des aktiven Zentrums des Enzyms Nitrogenase, das dieses Problem in Pflanzen löst. Der zweite heilige Gral ist die Supraleitung bei Raumtemperatur.“

Zusätzlich zu seinem neuen Abenteuer in der Quantenchemie nutzt Miller seine Promotion, um neue Möglichkeiten der Hardware des Quantencomputers zu erforschen. Sein Fokus liegt auf Hole-Spin-Qubits in Silizium-Quantenpunkten im Rahmen des vom Schweizerischen Nationalfonds geförderten nationalen Kompetenzzentrums SPIN. „Die derzeit fortschrittlichsten Plattformen für das Quantencomputing sind supraleitende Qubits und gefangene Ionen. Spin-Qubits sind weniger ausgereift, haben aber potenzielle Vorteile und könnten daher aufholen und vielleicht sogar irgendwann die Führung übernehmen“, sagt Miller. Er merkt jedoch an, dass dies eine langfristige Vision ist, die nicht innerhalb des begrenzten Zeitrahmens seines eigenen Promotionsprojekts erreicht werden kann.

Dass er seine Doktorarbeit mitten in der Pandemie begonnen hat, war natürlich mit Herausforderungen verbunden. „Aufgrund des Lockdowns fehlt mir der tägliche Austausch mit meinen erfahreneren Kollegen. Durch das permanente Homeoffice ist meine Produktivität deutlich gesunken“, sagt Miller. Dennoch gibt er nicht auf: „Ich versuche, den Schaden zu begrenzen, indem ich die Zeit in der Isolation nutze, um an einer Publikation zum Thema meiner Masterarbeit weiterzuarbeiten. Und in diesem Frühjahrssemester versuche ich, alle Online-Kurse zu absolvieren, die Voraussetzung für meine Promotion sind. Das wird mir das Pendeln zur Universität Basel ersparen, wenn die Kurse wieder auf dem Campus stattfinden.“

Wenn er nicht gerade mit kniffligen mathematischen Rätseln beschäftigt ist, verbringt Miller seine Zeit damit, seine Leidenschaft für Musik zu stillen – vom Singen bis zum Klavier- oder Ukulelespielen. Miller ist glücklich, dass ihn sein Promotionsprojekt in die Schweiz gebracht hat: „Ich genieße wirklich, was dieses Land an Naturschönheiten zu bieten hat, die Weite und die Friedlichkeit der Alpen.“

Leonid Leiva Ariosa / IBM