Manifest der Quanten-Macher
BLOG: HYPERRAUM.TV
Tommaso Calarco ist Quantenforscher und das, was man als einen „konservativen Visionär“ bezeichnen könnte. Lieber nimmt er in Kauf, später als Pessimist belächelt zu werden, als heute den Boden des Gesicherten zu verlassen und mit möglicherweise unerfüllbaren Erwartungen falsche Hoffnungen zu schüren. Und zweifellos gehört auch Profilneurose nicht zu den Gefährdungspotenzialen des italienisch-stämmigen Forschers, der über Innsbruck nach Deutschland kam und heute an der Uni Ulm an einem der führenden europäischen Standorte der experimentellen Quantenphysik tätig ist. Calarco ist der zentrale Kopf des Quanten-Manifestes der EU. Mehr als dreitausend Experten zu “managen” und deren individuelle Wünsche konsensfähig unter einen einzigen Hut und in ein gemeinsames Papier – eben jenes Quuanten-Manifest – zu bringen, das war eine Leistung der ganz besonderen Art.
Mehrfach betonte er in unserem Gespräch, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft und nicht seine Person im Zentrum der jetzt anstehenden gewaltigen Aufgabe stehe, und es ihm deshalb besonders wichtig war, alle Meinungen zu berücksichtigen, um so in einem übergreifenden Konsens der Fachwelt Europas Industrie den Boden zu bereiten. Offen spricht Calarco auch darüber, dass man Lehren beispielsweise aus dem chaotischen Start-Prozess um das Großprojekt zur Hirnforschung, das Human Brain Project, gezogen hat, das – wie das Quanten-Flagship der EU ebenfalls mit einer Milliarde ausgestattet – in den ersten beiden Jahren vor allem durch öffentlich begleitetes Missmanagement auffällig wurde. Es machte mehrfach durch Streitereien in großem Stil von sich Reden, die bis zur offenen Revolte mit der Absetzung des Projektverantwortlichen geführt haben. Aus dem, was da schief gelaufen ist, hat man gelernt, sagt Calarco. Die Fehler wollten die Verantwortlichen im Flagship Quantentechnologie jedenfalls nicht noch einmal machen. So läuft das Aufsetzen des Projektes seit rund zwei Jahren auch in geordneten Bahnen und ohne unliebsame Publicity.
In meinem Gespräch ging es um die Ziele des Projektes und den Zeitplan der Entwicklung von Quantentechnologien, aber auch um die Marktfrage – also darum, ob die europäische Industrie im globalen Wettbewerb mit den USA und China überhaupt noch eine relevante Rolle besetzen kann. Calarco sagt ganz offen, dass aufgrund der gewaltigen Investitionen globaler Konzerne à la Google und IBM aber auch chinesischer Unternehmen für Europas Industrie nicht mehr viel Zeit bliebe. Allerdings ist seiner Meinung nach das Tor noch offen, dass sich kleine, aus der Forschung erwachsende Spin-Offs, aber auch große Unternehmen wie beispielsweise Bosch eine führende Rolle erarbeiten können – vorausgesetzt allerdings, sie seien bereit, in diese Entwicklungen massiv zu investieren. Genau hier soll das Maßnahmenpaket der EU forschungs- und industriepolitisch unterstützen. Fast hat es den Anschein, als müssten viele europäische Unternehmen erst mal zum Jagen getragen werden …
Das Fernziel Quantencomputer ist zwar auch schon am Horizont zu sehen, doch Calarco spricht lieber von der jetzt anstehenden technologischen Entwicklung künftiger „Quantentechnologien“, die beispielsweise für die Sensorik in der Automobil- und Luftfahrtindustrie oder auch bei der Entwicklung neuer Nanomaterialien verstärkt zum Einsatz kommen werden. Hier lassen sich die Phänomene der Quantenwelt in Produkte mit sehr spezifischen Aufgaben umsetzen. Ein frei programmierbarer Computer aber, ein Rechner mit einem voll tauglichen Quantenbetriebssystem, das sei eine ganz andere Sache. Bis dahin, sagt Calarco, braucht es noch viel Forschung. „Wir haben heute keine Ahnung, wie das gehen soll“, sagt er mir offen – und meint die komplizierten Kontroll- und Manipulations-Protokolle, aber auch die Hardware-Technologien wie die erforderlichen Nutzer-Schnittstellen. Die Ankündigungs-Euphorie mancher Veröffentlichungen holt der Experte auf den Boden der Tatsachen zurück. Es wird also länger dauern, ehe die Quantentechnologie so umfassend beherrschbar ist, dass sie breit in den Markt für heutige Digitalrechner einbrechen kann. Fünfzehn Jahre – oder doch nur weniger als zehn? Da bleibt Calarco vorsichtig-unbestimmt. Zuerst, meint er jedenfalls, werden die Quantenmaschinen in Rechenzentren einsetzbar sein, wann sie und ob überhaupt jemals auf den Schreibtisch oder gar bis in die Hosentasche kommen, ist heute noch eine Frage für die richtig mutigen Visionäre. Zu denen aber gehört Calarco eben gerade nicht. Bei diesem Thema hält er’s lieber mit Wittgenstein und denkt: „Worüber man nicht reden kann, darüber muss man schweigen!“
Mehr zum Thema auch im der neuesten Ausgabe von Spektrum.
Und zum Schluss noch eine Ankündigung für meinen nächsten Video-Blog: Mein Besuch bei Rainer Blatt an der Uni in Innsbruck, ein Pionier der Quantenforschung, der 2004 drei QuBits erstmals in einer sogenannten Paulfalle verschränken und manipulieren konnte.
Zitat: Es wird also länger dauern, ehe die Quantentechnologie so umfassend beherrschbar ist, dass sie breit in den Markt für heutige Digitalrechner einbrechen kann.
Dass Quantenrechner in den Markt für Digitalrechner einbrechen ist sogar auf lange Sicht nicht zu erwarten, denn Quantenrechner operieren mit Quantenphänomenen und ihre Stärke ist genau dort, wo Quantenphänomene eine beherrschende Rolle spielen. Das ist aber nicht im Bereich etwa der Datenbanken, der Numerik und auch nicht im Kern-Bereich von Big Data, sondern beispielsweise überall dort, wo Chemie und Materialeigenschaften eine Rolle spielen, denn chemische Reaktionen und Materialeigenschaften basieren sehr unmittelbar auf dem Quantensystem, welches durch die Bindungselektronen des Materials oder Stoffs gebildet wird. Beim Durchbruch des Quantencomputings ist es denkbar, dass die Eigenschaften neuer Materialien und neuer Pharmaka vollkommen im Quantencomputer errechnet werden können und die heutigen langwierigen Laborversuche und die Versuchs/Irrtum-Vorgehensweisen entfallen. Dann könnten Superbatterien und Supermedikamente praktisch im Wochentakt gefunden werden. Es gibt auch noch andere vielversprechende Anwendungsgebiete von Quantencomputern. Nämlich bei Optimierungsaufgaben, wo das Optimum nur durch Betrachtung eines grossen Gesamtsystems gefunden werden kann. Solche Optimierungsprobleme tauchen beim Machine Learning auf, bei der künstlichen Intelligenz.
Im MIT-Review ist Quantencomputing unter den 10 möglichen Breakthrough-Technologien für das Jahr 2018 aufgelistet und zwar unter dem Titel: Materials’ Quantum Leap. Dort liest man (übersetzt von DeepL):
Eine wahrscheinliche und verlockende Möglichkeit [des Quantencomputing]: die präzise Gestaltung von Molekülen.
Chemiker träumen bereits von neuen Proteinen für weitaus wirksamere Medikamente, neuartigen Elektrolyten für bessere Batterien, Verbindungen, die das Sonnenlicht direkt in einen flüssigen Brennstoff verwandeln könnten, und viel effizienteren Solarzellen.
Wir haben diese Dinge nicht, weil Moleküle auf einem klassischen Computer lächerlich schwer zu modellieren sind. Versuchen Sie, das Verhalten der Elektronen selbst in einem relativ einfachen Molekül zu simulieren, und Sie stoßen auf Komplexitäten, die weit über die Möglichkeiten heutiger Computer hinausgehen.
Aber es ist ein natürliches Problem für Quantencomputer, die anstelle von digitalen Bits, die 1s und 0s darstellen, “qubits” verwenden, die selbst Quantensysteme sind. Kürzlich haben IBM-Forscher einen Quantencomputer mit sieben Qubits verwendet, um ein kleines Molekül aus drei Atomen zu modellieren.
Es sollte möglich sein, weitaus größere und interessantere Moleküle genau zu simulieren, da Wissenschaftler Maschinen mit mehr Qubits und, ebenso wichtig, besseren Quantenalgorithmen bauen.
Martin Holzherr schrieb (5. Juni 2018 @ 20:09):
> Beim Durchbruch des Quantencomputings ist es denkbar, dass die Eigenschaften neuer Materialien und neuer Pharmaka vollkommen im Quantencomputer errechnet werden können und die heutigen langwierigen Laborversuche und die Versuchs/Irrtum-Vorgehensweisen entfallen.
Falls eine einmalig von einem Quantencomputer, mit bestimmten Eingabeparametern durchgeführte “Rechnung” einen Ergebniswert haben sollte, der als “richtig” bzw. “passabel” beurteilt würde (womöglich im Zusammenhang zu Erwartungen, die durch langwierige Laborversuche bzw. sorgfältig-nachvollziehbare Rechnungen erlangt worden wären), dann man mag wohl von einem “Durchbruch” sprechen.
Mit dem gelegentlichen Eintreten derartiger “Durchbrüche” kann man rechnen.
Aber ebenso gewiss mit gelegentlichen “Einbrüchen” (wobei mit den selben Eingabeparametern ein anderer, “falscher” Ergebniswert “errechnet” würde).
Die Bewertung, “wie verdreht” bzw. “wie gestört” ein gegebener Quantencomputer hinsichtlich bestimmten (ggf. nachvollziehbaren) Erwartungen war, kann bzgl. Versuchsreihen aus n Versuchen für beliebig große Werte n ermittelt werden;
ist also wahlweise nicht nur langwierig, sondern überhaupt nie beendet.
φ_{QC}[ n ] := ArcCos[ Sum_{Trials k = 1}^n[ (Pass[ k ] – Fail[ k ]) / (Pass[ k ] + Fail[ k ]) ] ],
Δφ_{QC}[ n ] :=
ArcCos[ Sum_{Trials k = 1}^n[ (Pass[ k ] – Fail[ k ] – 1) / (Pass[ k ] + Fail[ k ] + 1) ] ] –
ArcCos[ Sum_{Trials k = 1}^n[ (Pass[ k ] – Fail[ k ] + 1) / (Pass[ k ] + Fail[ k ] + 1) ] ].
@Frank Wappler: Quantencomputer für die Simulation physikalischer Systeme sollten jedenfalls bessere Resultate liefern als alle anderen Computer. Richard Feynman kam ja auf die Idee des Quantencomputing als er erkannte, dass ein Quantensystem mit n Zuständen mit einem klassischen Computer berechnet einen relativ zu n exponentiellen Aufwand bedeutet, nicht aber für einen Quantencomputer (übersetzt von DeepL): 1981 hielt der Nobelpreisträger Richard Feynman seinen wegweisenden Vortrag “Physik mit Computern simulieren”. Seine Idee war, dass ein Quantencomputer im Gegensatz zu einem klassischen Computer, der eine Simulation der Physik nur annähern konnte, diese exakt simulieren konnte – als Quantenphysik. In einem 1982 veröffentlichten Papier sagte er: “Ich glaube also, dass man mit einer geeigneten Klasse von Quantenmaschinen jedes Quantensystem imitieren kann, auch die physikalische Welt”.
Schöne Idee: die physikalische Welt perfekt simulieren – und das in einem Quantencomputer (der aber nichts perfekter macht als erlaubt).
Martin Holzherr schrieb (7. Juni 2018 @ 17:13):
> Quantencomputer für die Simulation physikalischer Systeme sollten jedenfalls bessere Resultate liefern als alle anderen Computer.
Und die Kreise des Archimedes sollten jedenfalls nicht gestört werden. …
p.s.
> Richard Feynman kam ja auf die Idee des Quantencomputing […]
Um zu glauben, dass derlei Ideen “jedenfalls bessere Resultate liefern” könnten als “atomar” operierende/nachvollziehbare Berechnungen,
genügt es offenbar nicht, die Quantenmechanik bzw. das Quantencomputing nicht zu verstehen, und außerdem (wie Feynman 1965 formulierte), “mit Sicherheit sagen zu können, dass niemand die Quantenmechanik versteht”;
sondern man muss sich auch eines idiosynkratisch-imaginären Begriffs von “besser” bedienen.