Guten Tag, meine Damen und Herren.
Ich begrüße Sie hier zur letzten Podiumsdiskussion der diesjährigen Nobelpreisträgertagung.
Ich bin Christian Meier, freier Wissenschaftsjournalist aus der Region Frankfurt in Deutschland
und habe Artikel zur Quantentechnologie verfasst, dem Thema, das wir hier heute diskutieren.
Zunächst möchte ich Ihnen die Diskussionsteilnehmer vorstellen:
Serge Haroche, Gerardus t’Hooft, William Philips und David Wineland.
Herzlich willkommen. (Applaus.)
Die Quantenphysik ist bereits vor Jahrzehnten in Form von Lasern, Computerchips
oder Kernspintomographiegeräten als Technologie bekannt geworden.
Wir bezeichnen das, mehr oder weniger rückwirkend, als erste Quantenrevolution.
Viele Menschen meinen, dass wir jetzt eine zweite Quantenrevolution erleben.
Das Besondere daran ist, dass die Technologie zentrale Phänomene der Quantenphysik zu nutzen beginnt,
wie beispielsweise Schrödingers Katze, also die Überlagerung von Quantenzuständen und -verschränkungen.
Viele können sich vorstellen, dass Quantencomputer beispielsweise die Supercomputer weit hinter sich lassen werden.
Zumindest bei einigen speziellen Anwendungen wie der Datenbanksuche
oder der Simulation komplexer Moleküle und komplexer Festkörperkristalle.
Das könnte zu neuen Arzneimitteln und zu neuen intelligenten Materialien wie Supraleitung bei Raumtemperatur führen,
Und manche können sich sogar eine Art von Quanteninternet vorstellen, dessen Kommunikation den Gesetzen der Quantenphysik folgt.
Und sogar Cloud-Computing könnte über ein Konzept erfolgen, das als „Blind Quantum Computing“ bezeichnet wird.
Dabei weiß nicht einmal der Service-Provider, der einen Quantencomputer besitzt,
welche Art von Berechnung auf seinem eigenen Quantencomputer durchgeführt wird.
Auch ultra-sensitive, schnelle und sehr kleine Sensoren sind vorstellbar.
Beispielsweise Nanodiamanten, die mit magnetischen Sensoren ausgestattet sind,
die den Körper durchforsten und beispielsweise das Gehirn sehr detailliert abbilden.
Heute kann man bereits Quantentechnologien dieser Quantenkommunikationssysteme der zweiten Generation kaufen.
Sie werden von Regierungen, dem Militär oder der Bankenindustrie verwendet.
In China sowie in Südkorea wird derzeit eine Quantenkommunikationsinfrastruktur aufgebaut.
Überall in der Welt entstehen Quantenzentren, Quantenwissenschaftszentren und Quantentechnologiezentren.
Die Frage lautet also: Ist die Quantentechnologie die Zukunft des 21. Jahrhunderts?
Das ist eine sehr gewagte Frage.
Und natürlich ist es nicht einfach, die Zukunft vorherzusagen.
Denkt man beispielsweise an die Star Trek-Serie aus den 1960er-Jahren, so sahen die Bordcomputer der Enterprise
wie IBM-Maschinen aus den 1960er-Jahren und nicht so aus, wie Computer vielleicht in 300 oder 400 Jahren aussehen könnten.
Aber heute haben wir den großen Vorteil, dass hier Pioniere der Quantentechnologie anwesend sind.
Die Experten hier auf dem Podium zählten zu den ersten, die Messungen in Bezug auf diese wilde Quantenwelt angestellt haben
und Konzepte in die Labors gebracht haben, bei denen es sich zunächst mehr oder weniger nur um eine Philosophie gehandelt hat,
wie Schrödingers Katze.
Und die Verfahren geliefert haben, mit denen sich einzelne Atome, einzelne Photonen
oder Ionen messen, steuern oder manipulieren lassen.
Sie haben Quantenphysik in Technologien umgesetzt.
Ihre Erfahrungen werden uns also helfen, die Auswirkungen der Quantentechnologie besser zu verstehen.
Und danach werden wir hoffentlich eine lebhafte Diskussion erleben.
Dafür nutzen wir natürlich moderne Technologie.
Sie haben Smartphone-Apps, über die Sie Ihre Fragen eingeben können.
Die gehen dann bei mir ein und ich werde sie in die Diskussion einbringen.
Nach der Diskussion hätte ich gerne zwei oder drei Freiwillige aus dem Publikum, die ihr eigenes Fazit darüber formulieren,
ob die Quantentechnologie die nächste große Sache ist oder ob sie überbewertet wird – oder was auch immer.
Mindestens zwei Personen für eine „Pro“- und eine „Kontra“-Stellungnahme.
Aber zunächst möchte ich die Podiumsteilnehmer zu ihrer Meinung fragen.
Ist die Quantentechnologie die Zukunft des 21. Jahrhunderts?
Es ist eine geschlossene Frage, aber ich möchte Sie fragen, wie Sie darüber denken und warum.
Und ich würde gerne mit Serge beginnen.
Ich denke, Sie haben zu Beginn zurecht gesagt, dass wir uns bereits in einer Quantentechnologie befinden.
Die Apparate, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, vom Mobiltelefon bis zum Computer,
zu Lasern, GPS-Systemen, Atomuhren, basieren auf Quantengesetzen.
Und diese Gesetze wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entdeckt.
Ich finde es interessant, darüber nachzudenken,
dass eine solche Diskussionsrunde wie diese zur damaligen Zeit nicht stattgefunden hätte.
Ich glaube nicht, dass man Menschen wie Schrödinger, Bohr oder Einstein gefragt hätte,
wie die Quantentechnologien der Zukunft aussehen.
Sie haben das einfach gemacht und sie haben das aus Neugier gemacht.
Und einer der Gründe dafür, warum wir diese Diskussion jetzt führen, ist der,
dass sich die Perspektive in einer Welt, in der nicht alles immer gut ist, verändert hat.
Wenn wir ausschließlich durch Wissensdurst motivierte Physik, Grundlagenphysik betreiben,
werden wir immer gefragt, wofür das nützlich ist.
Und ich glaube, dass es darüber hinaus einfach deshalb sinnvoll ist,
weil es unseren Wissensdurst und unsere angeborene Neugier befriedigt, besser zu verstehen, wie die Dinge funktionieren.
Bei der Manipulation von isolierten Quantensystemen in den Experimenten, wie wir sie durchführen,
waren wir also von der Herausforderung motiviert, es einfach zu tun, bevor wir überhaupt über Anwendungen nachdenken.
Uns hat beispielsweise ein Satz von Schrödinger motiviert,
der die Durchführung dieser Experimente in der realen Welt für lächerlich hielt.
Und wir wollten beweisen, dass es nicht lächerlich ist und dass wir ein solches Experiment durchführen können.
Das war unsere grundlegende Motivation.
Und wenn man über die Ereignisse in der Zukunft nachdenkt, sollte man vorsichtig sein.
Wenn man auf die Geschichte zurückblickt, so wäre meines Erachtens kein Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts in der Lage gewesen,
auch nur irgendetwas von dem vorherzusagen, was seitdem passiert ist.
Lord Kelvin ist für seine Aussage im Jahr 1900 bekannt geworden,
dass wir alles wissen und dass es in der Physik nichts mehr zu entdecken gibt.
Niemand dachte damals an Computer, Laser oder den Transistor.
Vor diesem Hintergrund sollten wir etwas bescheiden bleiben, wenn wir uns die Zukunft vorstellen.
Ich bin sicher, dass wir durch die Manipulation eines Quantensystems in der Lage sein werden, Dinge zu erreichen,
die höchstwahrscheinlich von dem abweichen werden, was wir uns heute vorstellen.
Wenn wir uns wirklich die Zukunft vorstellen wollen, sind meiner Meinung nach Dinge wie Quantensimulationen,
die hier in mehreren Vorträgen behandelt wurden, sehr vielversprechend.
Die Tatsache, dass wir in der Lage sind, von der Basis Systeme mit Atomen, Ionen oder einfachen Quantenschaltungen aufzubauen,
die miteinander interagieren, und zu simulieren, was in echten Materialien geschieht.
Und sobald man 20 oder 30 Partikel erreicht, wird es mit dem klassischen Computer unmöglich zu verstehen, was geschieht.
Das ist also die Quantensimulation.
Und das ist eine Hochrechnung, die man heute anstellen kann.
Der Quantencomputer ist ein weit darüber hinausgehender Schritt.
Es ist noch zweifelhaft, ob er eines Tages klassische Computer ersetzen wird oder nicht.
Ich halte also die Quantensimulation tatsächlich für etwas sehr Interessantes.
Aber es ist sicherlich nichts, was jeder auf seinem Schreibtisch haben wird.
Es ist eine Forschungsmaschine, die uns dabei helfen kann, Materialien zu synthetisieren,
die wiederum nützlich sein werden und möglicherweise in 20 oder 30 Jahren weit verbreitet sind.
Und ich glaube auch, dass die Anwendungen wie immer nicht aus einer einzigen Grundlagenwissenschaft kommen werden.
Sie entstehen aus der Konvergenz verschiedener Domänen der Grundlagenwissenschaft,
wobei sich sehr schwer voraussagen lässt, welche das sein werden.
Ein Mensch wie Edward Purcell, der die Kernspintomographie entwickelt hat,
lebte lang genug, um die Entwicklung der Kernspintomographie zu erleben.
Ihn hat das erstaunt, weil er darüber nie nachgedacht hätte, denn 1945 gab es noch keine Computer.
Deshalb war es unmöglich, aus den Rohsignalen seiner NMR-Maschine Bilder herzustellen.
Es mussten also zunächst Computer entwickelt werden.
Es mussten supraleitende Magnete für hohe Magnetfelder und NMR entwickelt werden.
Und die Konvergenz dieser Technologien führte dann zu diesem Gerät.
Was wir uns also versuchen müssen vorzustellen, wäre die zukünftige Konvergenz der Technologien.
Und das ist ganz schön schwer.
Das war mir wichtig, zu Beginn zu sagen.
Danke. Gerardus.
Ja. Auch ich möchte einen Vergleich mit der Vergangenheit anstellen.
In den 1950er-Jahren, in denen ich aufgewachsen bin, war gerade die Atombombe gefallen und wurde Kernenergie entwickelt.
Und deshalb hatten wir grundsätzlich den Eindruck,
dass die Kernenergie oder die Kernphysik unser Leben in naher Zukunft dominieren würde.
Dass man also nicht nur Kernenergie und Atombomben, Atomwaffen hätte, sondern auch Atomautos, -flugzeuge, -schiffe.
Man dachte, dass in Zukunft alles nuklear sein würde.
Und wir sehen auch, dass die Nuklearenergie heute wichtig ist.
So verwendet man beispielsweise heute in Krankenhäusern Isotope für Diagnosen usw.
Neben der Kernenergie und der Bedrohung durch Atombomben.
Aber nein, es gibt keine Atomflugzeuge, keine Atomautos.
Es gab also eindeutig Grenzen für das, was mit der Nuklearenergie möglich ist.
Und in ähnlicher Weise werden wir meiner Ansicht nach auch Grenzen für das erleben,
was man mit Quantum Computing und solchen Dingen machen kann.
Wenn man natürlich über Quantenmechanik spricht, ist Quantenmechanik überall.
Die gesamte Chemie ist Quantenmechanik.
Viele Materialeigenschaften lassen sich nur über Quantenmechanik verstehen.
Supraleiter, Sie erwähnten sie bereits, eines Tages wird es vielleicht eine Supraleitfähigkeit bei Raumtemperatur geben.
Man kann sich gut vorstellen, dass so etwas geschehen könnte.
Und das wird unsere Leben wiederum verändern.
Also ja, aber die große Frage ist doch, ob es in unserer Zukunft Qubits geben wird.
Und da bin ich mir nicht so sicher.
Dazu habe ich mindestens vier Punkte anzumerken.
Es könnte eine Grenze dafür geben, was man mit Qubits machen kann.
Das ist eine Mutmaßung, die ich bereits vor langer Zeit formuliert habe,
dass der Quantencomputer Wunder bewirken wird, dass es aber eine Grenze geben wird.
Und die Grenze ist die, dass er von einem klassischen Computer übertroffen wird,
sobald man die klassischen Computer auf Plancksche Dimensionen erweitern kann.
Die Verarbeitungszeit dafür wäre 10^-44 Sekunden,
wenn die Speicherbits nicht mehr als 10^-33 Quadratzentimeter in Anspruch nehmen würden.
Ja, dann würde dieser Computer jeden Quantencomputer übertreffen,
weil die Welt in dieser Größenordnung tatsächlich klassisch sein könnte.
Heute kann natürlich niemand einen solchen klassischen Computer herstellen
und niemand wird je in der Lage sein, einen solchen klassischen Computer herzustellen.
Und deshalb werden Quantencomputer Wunder bewirken können,
insbesondere bei Suchanforderungen, wie beispielsweise in Datenbanksuchen, wie Sie bereits sagten.
Aber viele Probleme könnten mit Quantencomputern nicht so einfach adressiert werden.
Und eine weitere Warnung ist die Tatsache, dass ein Quantencomputer grundsätzlich ein analoger Computer wäre.
Denn Qubits formen ein Kontinuum und man muss immer sehr präzise in Bezug darauf sein,
wo im Kontinuum man sich mit seinen Qubits befindet.
Es sind also analoge Computer und zumindest im klassischen Sinne waren analoge Computer nie so erfolgreich,
zumindest nicht in Bezug auf ihre Geschwindigkeit und Präzision.
Es gibt hier also eine Gefahr und die Tatsache, dass es eine Grenze für Quantum Computing gibt.
Man kann dann natürlich fragen, welche Grenze.
Ich denke, dass es sehr viele praktische Grenzen in der Dekohärenz usw. geben wird.
Sie kennen die Probleme von heute.
Diese Schwierigkeiten können zu einem Großteil durch Fehlerkorrekturverfahren gelöst werden, aber nicht komplett.
Es werden Probleme bestehen bleiben, die man nicht mehr korrigieren kann.
Und die begrenzen die Verwendungsmöglichkeiten für Quantencomputer.
Aber dennoch werden sie im Vergleich zu den Supercomputern, die man in dieser Weise herstellen kann, Wunder bewirken.
Davon bin ich überzeugt.
Die andere Sache ist die, dass Qubits instabil sind.
Zum Erreichen von Quanten-Kohärenz muss die Energie der verschiedenen Zustände,
in denen sich der Computer befinden kann, exakt gleich sein.
Ansonsten wird E zu I, E1 minus E2, geteilt durch HI, wird dieser Faktor die Signale komplett dekohärieren.
Deshalb braucht man ein fantastisches Kohärenzniveau.
Dazu braucht man volle Kontrolle über die Energie der Zustände.
Und als Theoretiker erwarte ich dort eine potentielle Schwierigkeit.
Andererseits, um das positiv anzumerken, sehe ich eine ziemlich gute Zukunft für klassische Computer.
Das Mooresche Gesetz ist überhaupt nicht am Ende.
Wir können auf unseren Chips immer noch eine dritte Richtung einschlagen.
Es wird ein Dissipationsproblem für Erhitzer geben, das ist etwas anderes.
Aber die Größe der Speicher kann gigantisch werden.
Ich glaube die Grenze, die formelle Grenze ist nur die Avogadro-Konstante.
Das heißt, dass alle heutigen Daten überall, die größten Datenbanken alle zusammengepackt,
in einen winzigen Speicherstick dieser Größe passen, wenn man nur die Avogadro-Konstante als unüberschreitbare Grenze nimmt.
Klassischen Rechnern steht also eine aussichtsreiche Zukunft bevor.
Und ich denke da auch an die künstliche Intelligenz.
Nicht die Roboter, die wir hier gesehen haben, die amüsante, aber nicht wirklich intelligente Sachen gemacht haben.
Aber ich glaube, dass eines Tages eine menschliche Form der Intelligenz kommen wird.
Und dafür braucht man keine Quantencomputer, davon bin ich überzeugt.
Das kann alles mit klassischen Rechnern geschehen.
Anders gesagt: Nach meiner Einschätzung werden klassische Computer praktisch in vielen Fällen viel besser sein als Quantencomputer.
Das heißt aber nicht, dass die Quantenmechanik nicht in vielen Fällen
in naher Zukunft in vielen Technologien sehr wichtig sein wird.
Danke. Bill.
Es gibt einige Aussagen von Professor t’Hooft, mit denen ich nicht einverstanden bin.
Aber vielleicht sprechen wir später darüber.
Ich bin mir nicht sicher, dass ich einen Quantencomputer als analogen Computer bezeichnen würde,
jedenfalls nicht in der simplifizierenden Weise.
Aber er hat offensichtlich solche Merkmale, weil man ein Kontinuum erzeugen kann.
Aber dennoch gibt es zwei Zustände und ich halte das für ein sehr wichtiges Merkmal.
Und selbst bei dieser Tagung haben mehrere Leute gesagt,
dass wir bereits in der klassischen Halbleiterelektronik in einigen Aspekten das Ende des Mooreschen Gesetzes erreicht haben.
Aber lassen Sie mich davon einmal absehen und einfach versuchen, die Frage zu beantworten,
ob das 21. Jahrhundert das Jahrhundert der Quantentechnologie sein wird.
Und ich glaube, die Frage zielt tatsächlich darauf ab: Wird die zweite Quantenrevolution die Technologie des 21. Jahrhunderts
in der Weise dominieren, wie die erste Quantenrevolution die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts dominiert hat?
Und das war eine ziemlich weitgehende Beherrschung, die auch weiterhin besteht.
Nun, einige Leute haben das bereits deutlich gemacht, aber ich will das noch einmal bekräftigen.
Sie erinnern sich an den Vortrag von Steve Chu, der den großen amerikanischen Philosophen Yogi Berra erwähnte,
der als Baseballspieler für die New York Yankees aktiv war.
Er erwähnte eine der philosophischen Beobachtungen des Yogis, dass man nämlich die Welt durch Anschauen sehen kann.
Eine weitere philosophische Beobachtung des Yogi Berra war,
dass Vorhersagen besonders schwierig sind, wenn sie die Zukunft betreffen. (Lachen)
Ich glaube also, dass alles, was hier gesagt wird, vor diesem Hintergrund betrachtet werden sollte.
So ist es beispielsweise einfach, die Frage zu beantworten, ob die zweite Quantenrevolution
das 21. Jahrhundert so dominieren wird, wie die erste den letzten Teil des 20. Jahrhunderts,
und darauf aufgrund all der Probleme, die Professor t’Hooft genannt hat, mit nein zu antworten.
All diese Schwierigkeiten werden es wirklich schwer machen,
eine so verbreitete zweite Quantenrevolution in der Technologie zu erleben.
Aber man erinnere sich daran, dass in den 1970er-Jahren niemand daran geglaubt hat, dass Menschen zu Hause Computer haben werden.
Und bekanntlich sagte das auch der Chef einer der größten Computerfirmen der damaligen Zeit.
Diese Computerfirma existiert nicht mehr und besteht schon seit einigen Jahrzehnten nicht mehr.
Spekulationen gegen eine breite Durchsetzung von Technologie sind also oft wirklich schlecht.
Es wäre einfach, alle möglichen Gründe zu nennen, warum es für eine derartige Technologie schwierig wird, Einfluss zu nehmen.
Ich möchte aber ein Beispiel nennen, wo sie meines Erachtens einen großen Effekt haben wird.
Wie wir bereits erwähnten, hat die erste Quantenrevolution, also der Teil der Quantenmechanik,
der uns sagt, dass Teilchen Wellen sind und dass Dinge durch Quantenstatistiken beeinflusst werden, enorm weitergebracht hat.
Die meisten Dinge, die wir als Teil unserer modernen Gesellschaft betrachten, stützen sich auf diese Art von Quantenmechanik.
Aber wenn wir in der Materialentwicklung andere und bessere Funktionen aus Quantenmaterialien herausholen wollen,
müssen wir diese Quantenmaterialien auf einer Ebene verstehen, die über eine solche grundlegende Quantenmechanik hinausgeht.
Und genau darüber hat Professor Haroche gesprochen.
Wenn es um mehr als ein paar Dutzend Teilchen geht, kann kein heutiger Computer die Ergebnisse berechnen.
Wir können also nicht berechnen, welches Verhalten ein Material zeigt,
in dem mehr als ein paar Dutzend Teilchen miteinander korrelieren.
Wenn sie alle unabhängig im Mittelfeld aller anderen Teilchen agieren, ist es im Grunde ein Einzelteilchenproblem.
Und das ist die Art von Problem, die wir bis heute mehr oder weniger gelöst haben und zur Entwicklung von Materialien verwenden.
Wenn wir das beispielsweise besser machen wollen, wenn wir die Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit verstehen wollen
und bessere Hochtemperatursupraleiter herstellen wollen, die unsere Gesellschaft revolutionieren könnten,
müssen wir wahrscheinlich die dahinter steckende Physik auf Vielkörperebene verstehen,
die wir in der Vergangenheit nicht verstanden haben, und zwar mit einer Vielzahl von Körpern in diesem Vielkörperproblem.
Und eine der realistischsten Hoffnungen für das Verständnis von Vielkörperproblemen ist die Quantentechnologie.
Entweder Quantencomputer oder wahrscheinlicher wenigstens in nächster Zukunft die Quantensimulation, wie Haroche sagte.
Das könnte einen enormen Einfluss auf unsere Gesellschaft haben.
Aber ob das tatsächlich der Fall sein wird? Das ist völlig offen. Fragen Sie Yogi.
Das kann ich kurz machen, weil ich grundsätzlich mit fast allem übereinstimme, was bereits gesagt wurde.
Was ich auf jeden Fall gerne sagen möchte: Auch wenn es schön ist, über eine zweite Quantenrevolution zu reden,
geht es meiner Ansicht nach eher um eine Art von allmählicher Entwicklung.
Worauf man hinweisen könnte, ist, dass wir jetzt in Systemen wie einem Quantencomputer versuchen,
die Vorteile der Kohärenz im System zu nutzen.
Man könnte sagen, dass der Laser bereits ein kohärentes System war.
Aber hier versuchen wir meiner Meinung nach diese Fähigkeit zu erweitern,
Quantenzustände zu formen und genügend Kontrolle zu behalten,
damit sich das System in einer kohärenten Weise entwickeln kann, bevor wir die Messungen anstellen.
Das ist vielleicht so ein bisschen die Trennlinie zwischen dem, was bereits gemacht wurde,
und dem, was wir hoffentlich in Zukunft machen können.
Und ich stimme mit Bill und Serge darin überein, dass eines der Dinge ist, über das viele Physiker nachdenken,
dass wir vielleicht ein Simulationsgerät entwickeln können, das uns bei der Lösung von Problemen helfen wird.
Interessant ist, dass insbesondere in den USA, insbesondere durch staatliche Finanzierung,
die Idee einer „Factoring Machine“ so viel Interesse gefunden hat,
die offensichtlich enorme Auswirkungen auf die Verschlüsselung, die Sicherheit der Verschlüsselung hätte.
Aber vielleicht lässt sich auch das Problem überwinden.
Ich sitze in einem Ausschuss mit Peter Shor und es gibt inzwischen so genannte quantenresistente Verschlüsselungssysteme.
Und natürlich gibt es keinen Beweis für irgendetwas.
Aber er würde sagen, dass er nicht wüsste, wie ein Quantencomputer eine Verschlüsselung knacken könnte,
die auf diesen neueren Methoden basiert.
Möglicherweise verschwindet also auch die erste große Anwendung.
Ich denke, er würde wohl auch sagen, dass nicht bewiesen ist,
dass ein Quantencomputer beim Knacken dieser Codes nicht helfen kann.
Deshalb bin ich sehr zuversichtlich, dass wir zur Simulation beitragen können.
Das ist eines der Dinge, die Feynman zugeschrieben wurde, dass er versucht hat, Probleme in der Teilchenphysik zu lösen,
aber dass es schwierig zu simulierende Vielkörperprobleme waren.
Wir hoffen also, dass das zu den primären Anwendungen zählen wird.
Wie Serge bereits sagte, wir wissen aber nicht, was sich daraus weiter entwickeln wird.
Wir können hoffentlich die Untersuchung grundlegender Effekte fortsetzen und werden dann sehen, wohin uns das führt.
Vielen Dank. Unser erstes Fazit könnte also lauten, dass die Quantentechnologie und insbesondere der Quantencomputer
mehr oder weniger in erster Linie ein Forschungsinstrument ist, das sich mehr oder weniger indirekt auf die Gesellschaft und
auf die Technologie auswirkt und dass andere Anwendungen wie Datenbanksuchen oder Zahlenspiele jetzt noch nicht realistisch sind.
Es sind einige Fragen aus dem Publikum eingegangen, die dazu passen.
Quantencomputer als Forschungsinstrument: Ich habe die erste Frage von - ich bitte um Entschuldigung für die Aussprache -
von Mariami aus Deutschland, Hochschule Siegen.
"Was denken Sie über den 5-Qubit-Quantencomputer von IBM, der vor kurzem vorgestellt wurde?
Und wie weit sind wir grundsätzlich von Remote-Labs entfernt, in denen man bestimmte Bellsche Experimente testen kann?"
Es geht also um den Quantencomputer als Remote-Lab - was sagen Sie dazu?
Ich halte das 5-Bit-IBM-Ding, in das man sich einloggen kann
und, wie ich annehme, Sachen auf einem 5-Bit-Quantencomputer laufen lassen kann,
für einen wunderbaren PR-Gag, weil man 5 Qubits auch auf einem anständigen Computer laufen lassen könnte.
Damit wird lediglich betont, dass eine neue Technologie entsteht.
Und man könnte einige der Merkmale dieser neuen Technologie selbst testen, wenn man wollte.
Aber ich bin mir nicht sicher, ob sie beispielsweise wirklich 5 Quantenbits hatten oder ob sie 5 Quantenbits simuliert haben.
Nicht, dass ich sie wegen etwas Unlauterem bezichtige.
Aber wir könnten das heute umsetzen und es ist etwas Gutes.
Es ist großartig, dass sie solche Merkmale entwickelt haben, damit Menschen sehen können,
um was es bei der Arbeit in der Quantum-Computing-Welt geht.
Weiß irgendjemand, ob das bereits von jemandem zu Forschungszwecken eingesetzt wird?
Ist das nur online oder wird das auch bereits von Menschen benutzt?
Ich glaube, mit 5 Qubits kann man keine Forschung betreiben.
Die Kapazität eines solchen Systems reicht nicht für echte Berechnungen aus.
Ich muss auch ergänzen, dass viele Labors Experimente mit einer Handvoll Qubits durchführen, um simple Effekte zu demonstrieren.
Ich stimme Bill zu, dass das eine publikumswirksame Aktion ist, das System so zu präsentieren,
aber es mag hilfreich sein, die Öffentlichkeit auf diese Art von Entwicklungen aufmerksam zu machen.
Aber es geht hier nicht um einen großen Durchbruch im Sinne der Forschung.
Ich möchte einen weiteren Aspekt des Quantensystems einbringen, über den wir noch nicht gesprochen haben.
Neben dem Quantencomputer und der Simulation gibt es etwas, was als Quantenmetrologie bezeichnet wird
und die Quanteneigenschaften nutzt, was wir "die zweite Revolution" nennen.
Mir gefällt das nicht, weil man nicht selbst erklärt, dass man revolutionär ist - das zeigt sich erst im Nachhinein.
Aber die Quantenmetrologie ist ein sehr interessantes System.
Man errichtet ein System, das die Superposition von zwei Zuständen einnimmt,
eine Art Schrödingers Katze, deren beiden Teile unterschiedlich empfindlich gegenüber etwas sind, was man messen möchte.
Und dann kann man durch einen Interferenzeffekt eine Messung mit einer Präzision vornehmen,
die das übertrifft, was man mit jedem der Teile separat erreichen würde.
Dave hat in seinem Vortrag über Atomuhren berichtet und gezeigt, dass die Atomuhren bereits fantastisch genau sind.
Und die stammen aus der ersten Quantenrevolution mit der Definition,
dass diese Atomuhren nicht auf Verschränkung und Zustandssuperposition basieren.
Aber wenn sie durch Zustandssuperposition und Verschränkung ergänzt werden,
wenn man verschränkte Atome zur Messung der Zeit nutzt, könnte man möglicherweise eine andere Größenordnung erreichen.
Die große Frage ist, was man machen würde, wenn eine andere Größenordnung erreicht würde,
wenn die Uhr auf eine 100-Mikrometerveränderung im Gravitationsfeld der Erde reagieren würde?
Aber vielleicht gibt es ja in Zukunft beispielsweise Anwendungen wie die, die Sie am Ende Ihres Vortrags erwähnt haben,
die Entdeckung von sehr, sehr kleinen Bewegungen in der Erde, die Vorboten von Erdbeben sind.
Vielleicht wäre das so eine Nutzung solcher Quantenmetrologie-Anwendungen.
Oder die Variationen der fundamentalen Konstanten.
Ja, aber das ist nicht Technologie, das ist tatsächlich Wissen.
Ich würde dann gerne später auf die Quantensensorik zurückkommen.
Ich habe eine weitere Frage, die zum Thema der Quantensimulation passt,
und zwar von Luca Messina aus Schweden, Royal Institute of Technology:
"Der Bereich der numerischen Simulation wird enorm von der Entwicklung von Quantencomputern profitieren.
Welche Hauptherausforderungen gilt es noch zu bewältigen?
Und wann werden Ihrer Meinung nach Quantencomputer zur Verfügung stehen?"
Also Quantencomputer, die numerische Simulationen durchführen? Wer möchte diese Frage beantworten?
Ich habe den Eindruck, dass wir sehr ähnlich antworten würden.
Ich denke, die Idee eines Quantencomputers wäre, dass er solche Simulationen
ohne die Notwendigkeit normaler numerischer Simulation durchführen und wesentlich effizienter sein könnte.
Aber ich glaube, dass kontinuierlich Fortschritte gemacht werden und hoffentlich in die richtige Richtung gehen
und dass die Technik in dieser Hinsicht immer besser wird.
Das Gute daran ist, es stimmt, in dem Versuch, unsere Systeme besser zu kontrollieren und
kompliziertere Simulationen durchzuführen, berücksichtigen wir die ganzen verschiedenen Plattformen, Atome, Ionen und Supraleiter.
Dadurch kennen wir die typischen Probleme, wissen, warum unsere Abläufe nicht akkurater sind
und können deshalb größere Geräte herstellen.
Mich motiviert das, weil ich beispielsweise davon überzeugt bin,
dass die Reinheit der Materialien in Supraleitern ein bedeutendes Thema ist.
Das ist leicht gesagt, denn natürlich ist es schwierig, immer reinere Materialien herzustellen.
Aber ich glaube, dass sich – unabhängig vom Quantum Computing – die Technologie
bereits in Richtung einer besseren Kontrolle über Materialien und ähnliche Dinge entwickelt.
Deshalb bin ich ganz optimistisch, dass wir künftig wirklich sinnvolle Simulationen durchführen können.
Aber das erfolgt möglicherweise langsam und allmählich.
Aber meiner Meinung nach sind wir auf dem richtigen Weg.
Gibt es ein weiteres Statement?
Ich glaube, es gibt zwei Möglichkeiten, über Quantensimulation nachzudenken.
Die eine ist, wie bereits gesagt, zu simulieren, was im realen Material geschieht,
und das System sich entwickeln lassen und dann Messungen vorzunehmen.
Das ist eine Art analoger Quantensimulator.
Der andere Weg ist es, das System in kurze Zeitintervalle aufzuteilen
und es dann die Quantenmaschine zu nutzen, um diese kurzen Schritte zu realisieren.
Das ist also eher der digitale Aspekt.
Man nutzt Quantengatter, um die Entwicklung in kurzen Schritten herauszufinden.
Und das ist eher wie ein digitaler Quantencomputer, der sich für einige Dutzend Teilchen eignet.
Das funktioniert bereits.
Es gibt wunderbare Experimente, in denen durch eine analoge Art der Berechnung
oder durch eine solche Digitalisierung Informationen gewonnen werden können,
die sich in den Randbereichen dessen befinden, was die klassische Maschine berechnen kann.
Aber auf vollwertige Quantencomputer zu warten, um die Eigenschaften von Materialien herauszufinden,
ist meiner Ansicht nach heute eine Utopie.
Man sollte vorerst nicht darüber nachdenken.
Diese Maschinen sind also nach wie vor Forschungsmaschinen, mit deren Hilfe man mehr darüber erfahren kann,
wie sich beispielsweise neue Materialien in Bezug auf die Anhebung der Temperatur von Supraleitern verhalten.
Das wäre eine Einsatzmöglichkeit.
Dazu würde ich gerne die Aussage von Rainer Blatt einbringen: dass es bereits in 5 oder 6 Jahren einen 40-Qubit-Quantensimulator –
ich denke, in seinem Labor – geben wird, der chemische Verbindungen mit 40 Atomen,
was heute das Limit für die Simulation durch Supercomputer ist, schneller als der schnellste Supercomputer simulieren kann.
Deshalb ist es nicht so abwegig, dass wir das nicht nur als Forschungsinstrument benutzen,
sondern auch als funktionsfähige Maschine, die besser als ein Supercomputer ist.
Würden Sie das bejahen?
Ich würde sagen, dass es immer noch eine Forschungsmaschine ist.
Ich würde das nicht als Technologie bezeichnen.
Aber man kann sich vorstellen, wo das als Technologie enden könnte.
Und auch ich gehe davon aus, dass es 40-Qubit-Simulatoren geben wird und dass damit interessante Dinge möglich werden.
Aber das befindet sich noch in der Forschungsphase, würde ich sagen.
Ich könnte mir sehr gut ein Gerät vorstellen, das aus einer riesigen Anzahl von Qubits besteht,
die dann in jeder möglichen Weise kombiniert werden.
Man kann sich vorstellen, damit dann ein Atom nachzuahmen oder beispielsweise in der Teilchenphysik Gitterberechnungen
durchzuführen, die auf einem Standardcomputer sehr lange dauern und enorme Computerleistung erfordern.
Man muss sprichwörtlich ganze Atomreaktoren verbrennen, um eine simple Gitterberechnung für QCD durchzuführen.
Und dann hat man ein 10x10x10x10-Gitter - das ist ganz sicher das, was man machen möchte.
Aber man kann sich viel mehr als 10x10x10x10-Qubits vorstellen, die durch jede gewünschte Funktion verbunden werden könnten.
So könnte man im Prinzip jede Gitterberechnung durchführen und sie einfach simulieren.
Man möchte die Energieniveaus kennen - hier sind sie.
Man strahlt einfach ein Photon in das System und findet heraus, welche Übergänge überall bestehen.
So erhält man das Energiespektrum des Systems, als ob es selbst ein Atom wäre.
Und die Existenz einer solchen Maschine ist trivial.
Die beste Maschine zur Berechnung der Energieniveaus des Uranatoms ist das Uranatom selbst,
weil es genau das richtige Potential hat, um es zu messen.
Aber stellen Sie sich jetzt etwas vor, wie in der QCD, wo man zwar etwas messen kann,
aber man möchte wissen, ob man die Physik versteht.
Deshalb möchte man wissen, ob das Gitter tatsächlich die QCD mit all ihren Problemen korrekt beschreibt.
Dann kann man die QCD in größerem Maßstab nachahmen, aber grundsätzlich dieselbe Physik anwenden.
Aber normalerweise ist ein solches Quantensystem enorm schwierig zu berechnen.
Und natürlich haben wir in der Chemie, wie Sie sagen, dasselbe Problem.
Und bevor ich über diese Schwierigkeit rede, denke ich an den Vortrag von Ted Hänsch, wo er erwähnte,
dass es einmal sehr, sehr schwierig war, Frequenzen zu zählen.
Man benötigte 20 verschiedene Geräte, um alles Mögliche zu zählen, das gesamte Spektrum eines Frequenzkamms.
Aber dann wurde eine kluge Erfindung für ein einziges Gerät gemacht, das all diese Frequenzen messen kann.
In Zukunft kann möglicherweise ein einfaches Gerät hergestellt werden,
mit dem man die Verbindungen in einer beliebigen Zahl von Qubit-Paaren anpassen und dann eine analoge Berechnung anstellen kann.
Das ist grundsätzlich durchaus denkbar und das wäre ein großer Fortschritt.
Es wird nicht nur darüber diskutiert, ob ein Quantencomputer möglich oder nicht möglich ist und wann er kommen wird,
sondern auch über welche Plattform.
Und hier habe ich eine Frage von Kathrin Kröger von der ETH Zürich in der Schweiz:
"Was ist Ihrer Meinung nach die vielversprechendste physikalische Plattform oder Plattform-Kombination
für den Bau eines Quantencomputers?"
Ionenfallen natürlich.
Ich glaube, dass es keinen eindeutigen Gewinner in diesem Spiel gibt.
Aufgrund einiger Messungen könnte man meiner Meinung nach argumentieren, dass Ionenfallen führend sind.
Aber falls das stimmen sollte, so würde ich doch sagen, dass es wie ein Marathonlauf ist.
Und auch wenn wir möglicherweise führend sind, kann man sich immer noch umsehen und die Startlinie erkennen,
zumindest für ein großes Gerät.
Das ist technisch so schwierig, wir sind so weit von der Herstellung eines Skalengeräts entfernt,
dass ich keinen offensichtlichen Gewinner sehe.
Und ich fände es auch nicht schlimm, wenn es am Ende Supraleiter wären, weil ich finde, dass wir alle dazu beitragen.
Aber ich finde es noch zu früh, die beste Plattform herauszupicken.
Und würden Sie sagen, dass es eine Plattform einer Art oder eine Kombination verschiedener Arten von Physik sein wird?
Man spricht davon, dass es eine Kombination von verschiedenen Quantensystemen sein könnte.
Ionenfallen und Atome sind sehr gut als Speicher.
Und vielleicht könnte man sie als Speicherelemente nutzen und dann Quantenpunkte verwenden,
da sie viel schneller in der Verarbeitung sind.
Man fängt an, sich darüber Gedanken zu machen, aber es ist noch viel zu früh, um zu sagen, ob das der Weg sein wird.
Diese Frage wird, zumindest von Mittelvergabestellen, oft gestellt, um herauszufinden,
in was investiert werden und was aus dem Programm gestrichen werden sollte.
Und das ist zu früh.
Es wäre wirklich unklug, in dieser Phase bestimmte Technologien zu streichen und andere zu favorisieren.
Wenn man in das Jahr 2000 zurückdenkt und Supraleiter betrachtet, hätte man gesagt: Oh, das sieht überhaupt nicht gut aus.
Es gibt nicht einmal ein ordentliches Qubit, die Dekohärenz ist so schnell.
Und schauen Sie, wo die Supraleiter heute stehen - eine der fortschrittlichsten Plattformen,
noch nicht ganz so fortschrittlich wie Ionen, aber ziemlich gut.
Das lehrt uns, dass wir möglichst nicht zu früh eine bestimmte Plattform eliminieren sollten,
solange wir wirklich ernsthaft an Ergebnissen interessiert sind.
Ich stimme auch der Vorstellung zu,
dass es sich bei der letztendlichen Konstruktion wahrscheinlich um eine Hybridform handeln wird.
Und wenn eines wirklich wichtig sein wird, dann ist es die Verbindung zwischen Speicher und Prozessor.
Und diese Verbindung könnte verschiedene Formen annehmen, aber es wird sich höchstwahrscheinlich um Photonen handeln.
Und so gibt es noch eine Menge zu tun für eine effektive Verbindung zwischen verschiedenen Plattformen mit Hilfe von Photonen.
Wobei das, wie ich sagte, nicht die einzige Möglichkeit ist.
Es könnten direkte supraleitende Leitungen sein,
es könnten supraleitende Übertragungsleitungen mit Mikrowellenphotonen statt optischen Photonen sein.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, wie das erfolgen könnte.
Spintronik, es könnte der direkte Transport von Dingen wie Ionen oder Atomen sein,
die sich dann direkt mit Dingen wie Supraleitern oder Quantenpunkten verbinden.
Aber das heißt meines Erachtens, dass solche Transferprozesse, die selbst auch interessant sind, untersucht werden müssten.
Ich würde gerne den letzten Teil Ihres Satzes unterstreichen.
Ich denke auch, dass es viel zu früh ist, das nur als ein technisches Programm zu betrachten,
wo wir wissen, was zu tun ist und wir nur noch den Computer bauen müssen.
Es geht hier nicht um das Manhattan-Projekt.
Wir wissen nicht, was die beste Plattform wäre und es muss in alle Richtungen geforscht werden.
Aber das sage ich nicht nur, weil wir diesen mythischen Computer vor Augen haben.
Wir müssen das tun, weil wir dabei etwas über das Verhalten von Supraleitern erfahren.
Wir lernen etwas darüber, wie man Atome manipulieren kann.
Wir lernen neue Dinge über Photonen.
Und dieses Wissen wird eines Tages nützlich sein.
Und das Einzige, das wir wissen, ist, dass es keine Zukunft für nichts gibt, wenn wir das nicht machen.
Ich werde etwas genervt, wenn sich die Debatte nur auf ein spezifisches Ziel richtet, das wir möglicherweise nie erreichen.
Und selbst, wenn wir das nicht erreichen, werden wir in der Zwischenzeit eine Menge gemacht haben
und, wie bereits gesagt, viele Anwendungen entwickelt haben, die sicherlich unerwartet sind.
Und naturgemäß können wir nicht vorhersagen, worum es sich dabei handeln wird.
Es könnte also eine Hybridplattform für Quantencomputer geben.
Das führt mich zu der Frage: Ist die Forschung zu diesem Thema richtig organisiert?
Sollte sie stärker interdisziplinär ausgerichtet sein in dem Sinne,
dass Ionenforscher mit Supraleitungsforschern oder Quantenspeicherforschern zusammenarbeiten?
Besteht da möglicherweise ein Defizit oder wie denken Sie darüber?
Ich kann vielleicht mit einem Beispiel antworten.
Wir arbeiten direkt neben einer Gruppe, die supraleitende Josephson-Kontakt-Qubits macht.
Wir versuchen also herauszufinden, wo wir unsere Systeme verbinden könnten.
Momentan löst das nicht eindeutig die großen Probleme.
Aber jetzt behandeln wir das einfach wie ein Forschungsprojekt, um zu sehen, wie weit wir gehen können.
Aber vielleicht ist das nur ein Beispiel.
Es kann sein, dass jemand mit einem wesentlich besseren Hybridsystem kommt.
Es ist aber noch sehr früh und in dieser Phase probieren wir einfach verschiedene Dinge aus
und machen das einfach, weil es interessant ist.
Und wir arbeiten auch direkt neben einer Gruppe, die am JQI supraleitende Qubits macht.
Und so betreiben wir tatsächlich ein gemeinsames Projekt,
um die Verbindung von Atomen zu supraleitenden Schaltungen zu beobachten.
Und um ehrlich zu sein, hat das nicht so richtig gut funktioniert.
Wir wussten, dass es schwierig werden würde.
Und es wurde wirklich schwierig und hat nicht so richtig gut funktioniert.
Wir haben das Projekt in eine andere Richtung geführt.
Wir haben das Projekt in Richtung einer vollständig neuen Art eines eindimensionalen Vielkörpersystems gebracht,
das eine unendliche Reihe von Interaktionen aufweist.
Wir hätten niemals angenommen, dass das Projekt diese Richtung nehmen würde.
Aber das verdeutlicht genau das, was einige von uns wiederholt gesagt haben,
dass man nicht weiß, wohin die Grundlagenforschung führt.
Aber man muss sie betreiben, wenn man überhaupt Fortschritte machen will.
Wenn man nur Dinge macht, deren Ergebnis man kennt, wird man natürlich nie etwas Neues in Angriff nehmen.
Und wenn wir in unserer Gesellschaft und in unserer Welt weiterhin Fortschritte machen wollen,
müssen wir Grundlagenforschung betreiben, ohne zu wissen, wohin das führt.
Wenn wir das nicht machen, werden wir steckenbleiben.
Vielleicht ist dies eine Frage, die ebenfalls dazu passt.
Ich habe das Gefühl, dass Sie sie mit „Nein“ beantworten werden, aber ich lese sie vor.
Die Frage stammt von Pascal Cerfontaine von der RWTH Aachen in Deutschland:
„Ist die Quantentechnologie Ihrer Meinung nach bereits so weit fortgeschritten,
dass ihr Scale-Up im Wesentlichen eine technische Aufgabe ist?
Sollten weitere Entwicklungen den Ingenieuren statt den Physikern überlassen werden?"
Nein.
Nein. (Lachen)
Gibt es jemanden, der die Frage mit „Ja“ oder „Vielleicht“ beantworten würde?
Okay, wir hatten ja bereits den Aspekt, dass die Kontrolle eines wirklich großen Quantencomputers eine große Herausforderung ist.
Hier gibt es eine dazu passende Frage von Michael Martini von der UIUC – ich sollte meine Brille aufsetzen – und er fragt:
„Erfordern Quantencomputer fehlerkorrigierende Methoden oder Dinge wie topologisch prognostizierte Zustände?
Welche vielversprechenden Richtungen gibt es in diesem Bereich?“
Das ist doch die University of Illinois Urbana-Champaign, richtig?
Die topologische Projektion scheint eine wunderbare Idee zu sein, denn sie ist eine Art entfernte Verwandte der Fehlerkorrektur,
weil man die Quanteninformationen in einem globaleren System kodiert.
Und man nutzt die topologischen Merkmale dieses Systems, um seine Fehlerempfindlichkeit zu reduzieren.
Normalerweise wird eine Unempfindlichkeit gegenüber Fehlern propagiert.
Aber man ist nie vollständig unempfindlich gegenüber Fehlern.
Und es ist schwieriger, eine Fehlerkorrektur mit topologischen Systemen vorzunehmen und sie sind tendenziell größer.
Es ist auch hier zu früh, um eine Aussage darüber machen zu können.
Das topologische Quantum Computing steckt noch stärker in den Kinderschuhen
als die Art von Quantum Computing, die Ionen oder Atome oder supraleitende Schaltungen als Gatter benutzt.
Aber es wäre meiner Meinung nach ein großer Fehler, das jetzt abzuschreiben.
Das ist wirklich vielversprechend, aber es ist wirklich viel zu früh, um Aussagen darüber zu machen. Das ist meine Meinung.
Und es ist nur eine Meinung, es gibt noch so wenig verlässliche Informationen dazu.
Weitere Kommentare dazu? Ja, bitte.
Wie ich bereits erwähnte, besteht das Problem darin,
dass man sich eine vollständige Degeneration der Zustände wünscht, wenn die Energie verschwindet.
Wenn ein Zustand aus irgendeinem Grund nur ein kleines bisschen mehr Energie aufweist als andere Zustände,
wird er dekohärieren oder seine weitere Verhaltensweise zumindest unvorhersagbar werden.
Ich weiß nicht, wie man das Problem mit topologischen Isolatoren verhindern kann.
Aber ich glaube, dass dann die kalten Atome vielleicht eine bessere Zukunft haben.
Denn wenn man einen Kristall aus Laserstrahlen erstellt,
ist es vielleicht einfacher, die Energieniveaus aller Zustände zu kontrollieren, die möglicherweise erreicht werden.
Ich weiß nicht, ob das stimmt, aber es klingt wie der offensichtlichere Weg.
Aber, wie ich bereits sagte, kann ich falsch liegen und wie jeder hier bestätigen wird, ist die Zukunft unvorhersagbar.
In der Tat stimme ich dieser Analyse mehr oder weniger zu.
Und ich glaube, man muss an einem Punkt ansetzen, der oft vergessen wird.
Wenn man einen Quantencomputer herstellt, muss jedes Qubit eine Atomuhr sein, mit der Genauigkeit und Stabilität einer Atomuhr.
Und wenn man die Phase dieses Qubit verliert, hat man verloren, weil das effektiv Dekohärenz bedeutet.
Und diese hohe Qualität ist etwas, was man mit Ionen und Atomen praktisch automatisch erhält.
Weil Ionen und Atome bereits als Atomuhren verwendet werden
und man das für etwas anderes praktisch technisch in das System integrieren muss.
Atome und Ionen haben diesen wunderbaren Vorteil, dass sie als von Gott gemacht absolut identisch sind,
was bei supraleitenden Qubits, Quantenpunkten und diesen Dingen nicht der Fall ist.
Und man muss sie alle messen und herausfinden, wie sie sich unterscheiden,
herausfinden, wie man sie am besten so abstimmen kann, dass sie identisch sind,
die Tatsache berücksichtigen, dass sie es nicht sind,
und all dies muss – das wissen die Menschen irgendwie intuitiv – getan werden.
Aber das ist einer der Aspekte, die einen wirklich skalierten Quantencomputer so schwierig machen.
Das muss man selbst mit den Ionen und Atomen machen, weil die Umgebung, in der sich jedes einzelne dieser Atome
und Ionen befindet, niemals komplett identisch ist, aber man hat einen wirklich guten Ausgangspunkt.
Ich könnte die erste Frage versuchen zu beantworten: Ist eine Fehlerkorrektur erforderlich?
Ich glaube, die allgemeine Antwort der Community darauf wäre für jedes Riesenproblem „Ja“, wir müssen uns darauf berufen.
Denn obwohl wir unsere Atomuhr-Ionen haben, die nominell identisch sind,
besteht unser Problem in den Fluktuationen bei den Laserstrahlen, die wir zu deren Manipulation einsetzen.
Wir haben also sicherlich eine Menge Fehler, die die wir berücksichtigen müssen.
Zumindest für die nähere Zukunft hoffen wir, dass wir eine ausreichende Kontrolle erreichen,
wo wir uns bei einigen dieser angestrebten Simulationen nicht auf die Fehlerkorrektur berufen müssen.
Wenn Rainer Blatt beispielsweise sagt, dass es 40 Qubits geben wird, so werden sie wahrscheinlich in der Lage sein,
sinnvolle Simulationen ohne Fehlerkorrektur durchzuführen, also so etwas in der Art zwischendrin.
Aber ich denke, was die großen Probleme in Zukunft betrifft, wird wohl jeder sagen,
dass eine Form der Fehlerkorrektur im System nötig sein wird.
Die Folgefrage ist dann, ob damit nicht automatisch eine Grenze dafür gegeben ist, was man mit Riesencomputern machen kann.
Wird die Fehlerkorrektur immer in jeder Hinsicht funktionieren?
Es sind viele verschiedene Arten von Fehlern denkbar.
In einem klassischen Computer wissen wir, wie man Fehler berichtigt, weil das einfach ist.
Aber in einem Quantencomputer ist das ziemlich heikel.
Ich denke, die Frage lautet, wie groß der Aufwand für die Fehlerkorrektur sein wird.
Der Aufwand ist sehr groß.
Aber vor 20 oder 25 Jahren hatten wir all diese Ideen überhaupt noch nicht.
Wir dachten, dass sich Dekohärenz überhaupt nicht kontrollieren lässt.
Der große Erfolg der Fehlerkorrekturtheorie war doch der Nachweis, dass es grundsätzlich möglich ist, Fehler zu berichtigen,
wenn man das Qubit mit einer ausreichend großen Anzahl von anderen Qubits verschränkt
und dass man ein logisches Qubit schaffen kann, das ewig überlebt.
Das ist der heilige Gral dieser Quantenrechnung, dass man Informationen in einem Zwei-Zustands-System erhält,
das für immer zu vollständiger Kohärenz führt.
Im Prinzip ist das möglich.
Ich glaube, dass das für ein Qubit, vielleicht für zwei Qubits erreicht werden wird.
Will man das aber für tausende Qubits haben, ist das eine andere Sache.
Aber die reine Tatsache, dass die Theoretiker die Machbarkeit meines Erachtens nachgewiesen haben,
reicht zur Validierung dieser Forschung.
Und ich betone noch einmal die Vorstellung, dass das für etwas nützlich sein wird,
selbst wenn es für den Computer nicht nützlich ist.
Ich möchte etwas dazu sagen, weil Serge etwas eingebracht hat, was eine favorisierte Vorstellung oder ein Traum von mir ist.
Und das ist das unsterbliche Qubit.
Wenn jemand ein unsterbliches Qubit herstellt, was meiner Meinung nach angesichts der gegenwärtigen Technologie
keine lächerliche Vorstellung ist, wird das im Quantum Computing ein echter Wendepunkt.
Weil damit die Möglichkeit dessen bewiesen wäre, ohne das es unmöglich wäre, einen gatterbasierten Quantencomputer herzustellen.
Aber wenn man sich dann realisiert, wie weit wir von der Herstellung eines unsterblichen Qubits entfernt sind,
kann man sich die Schwierigkeiten für die Zukunft vorstellen.
Ich bin mir nicht ganz sicher, dass das unsterbliche Qubit so unsterblich sein wird.
Denn es wird eine Art Fehlerkorrekturroutine geben, die wahrscheinlich auf der Idee basiert, dass es Einzelfehler gibt.
Aber natürlich werden auch Doppelfehler auftreten, wenn auch extrem selten.
Und dann braucht man vielleicht zusätzlich zu den vielleicht 2 oder 3 bereits vorhandenen Fehlerkorrekturschichten
eine weitere Fehlerkorrekturschicht, um das Qubit unsterblich gegen einzelne Qubit-Fehler zu machen.
Man braucht vielleicht mehr, um es unsterblich gegenüber zwei Fehlerszenarien zu machen.
Und dann geht es noch um etwas anderes, über das wir noch nicht gesprochen haben.
Nämlich darum, dass diese Fehlerkorrekturroutinen gut zur Korrektur von Fehlern einer bestimmten Kategorie sind.
Und ich denke, dass haben Sie gemeint, dass es möglicherweise andere Fehler als die Kategorie von Fehlern gibt,
auf die die Fehlerkorrektur abzielt, und solche Fehler möglicherweise selten sind.
Aber wir müssen bei den großskaligen Computersystemen, wie Dave sie erwähnte, solche Faktoren berücksichtigen.
Da ist definitiv eine Fehlerkorrektur erforderlich.
Es gibt sozusagen einen inhärenten Widerspruch in der Vorstellung von einem unsterblichen Qubit.
Und der besteht darin, dass man ihn auslesen will.
Es wird also ein Gerät geben, das man mit Abstand benutzt wie dieses Mikrofon hier.
Wenn ich ohne Mikrofon spreche, bin ich komplett unhörbar, aber mit dem Mikrofon bin ich verständlich.
Was passiert, wenn ich das Mikrofon in der mittleren Position halte?
Wie weit muss das Mikrofon vom Qubit entfernt sein, um es unsterblich zu machen?
Und da sehe ich ein Problem.
Okay, ich denke, dass das in gewisser Weise stimmt.
Sie reden über das, was einige Leute das Yin und Yang im Quantum Computing genannt haben.
Wenn es frei von Dekohärenz ist, wird es schwer sein, sich damit zu unterhalten.
Aber es gibt immer auch andere Wege und Menschen sind sehr schlau. (Lachen. Applaus)
Ich unterbreche Sie nicht gerne in Ihrem Gespräch.
Aber ich würde den Aspekt der Quantencomputer gerne abschließen und zu etwas anderem kommen,
was vielleicht etwas früher aktuell werden wird.
Ich denke, dass Quantenmessungen und Quantensensorik vielleicht sogar noch interessanter sein könnten.
Aber ich als Laie sage mir, dass es viele, viele andere Techniken gibt, die sehr empfindliche Sensoren hervorbringen.
Beispielsweise Nanoröhrchen, die einzelne Moleküle aufspüren können und über eine hohe Sensibilität verfügen,
und Spezifität, wenn es um Rezeptoren geht, und die „konventionelle Technologien“ ist auch sehr gut.
Was wäre also der Mehrwert von Quantenmessungen?
Und bitte nennen Sie uns dafür zwei oder drei Beispiele.
Ich kann ein Beispiel nennen, dass hier auf dieser Tagung in einem anderen Zusammenhang angesprochen wurde –
die Entdeckung von Gravitationswellen.
Sie verwenden ein Interferometer, bei dem es sich um ein Michelson-Laser-Interferometer handelt.
Und übrigens ist es sehr interessant zu realisieren, dass Einsteins Arbeit sozusagen durch zwei Michelsons begrenzt wurde.
Zum einen das historische Michelson-Interferometer des 19. Jahrhunderts, das Ränder unterscheiden konnte, wenn sie sich bewegten,
circa ein Randintervall, was einer Sensitivität von einem Mikrometer entspricht, und diese große Maschine, die jetzt gebaut wurde.
Und weil sie sehr intensives Laserlicht verwendet, war sie in der Lage, Effekte zu beobachten,
die 100 Milliarden Mal kleiner sind, als dies bei der ersten Michelson-Maschine der Fall war.
Ich würde sagen, dass das ein Triumph der ersten Quantenrevolution ist.
Aber jetzt ist geplant, dieses klassische Laserlicht durch gequetschtes Licht zu ersetzen, also durch eine Quantenversion
dieses Lichts, die die Sensitivität um eine weitere Größenordnung oder vielleicht 3 db verbessern könnte -
sagen wir, um einen Faktor von 2 oder 3.
Aber ein Faktor von 2 oder 3 drängt die Grenzen des Universums zurück, die man mit einer großen Menge beobachten kann.
Das wird also eine sehr praktische Verwendung der Quantenmetrologie für etwas sehr Interessantes sein.
Natürlich könnte man sich fragen, warum man nicht einfach die Leistungsstärke des Lasers verbessert.
Aber man hat Grenzen der Leistungsstärke des Lasers erreicht und für eine bestimmte Leistung ist es immer besser,
gequetschtes Licht zu verwenden, dieses nicht-klassische Licht zu verwenden.
Und ich weiß, dass es entwickelt wird.
Es ist noch nicht am LIGO und VIRGO implementiert, aber das wird in Zukunft der Fall sein und das wird die Sensitivität erhöhen.
Aber noch einmal: Es ist eine Quantentechnologie, die nützlich für das Wissen ist,
aber nicht für den Markt oder für die Schaffung von Arbeitsplätzen und ähnlichen Dingen.
Es ist etwas, das wir benötigen, um unser Wissen über das Universum zu verbessern.
Aber wir sollten betonen, dass diese von Ihnen genannte Grenze,
also wie hoch die Laserdichte gestaltet werden kann, beim LIGO erreicht ist.
Die einzige Möglichkeit, weiterzumachen, ist also die Quetschung.
Kann sich jemand von Ihnen ein Quantenmessgerät vorstellen, das unseren Alltag beeinflussen würde,
das also direkter an den Markt und an unser Leben gekoppelt ist?
Ein Problem mit solchen Fragen ist, dass dadurch Menschen wie wir versucht sind,
in den Aussagen zu Anwendungsmöglichkeiten weiterzugehen, als wir sollten.
So könnte man beispielsweise von einer Sache träumen, von der ich aber nicht weiß, ob sie wirklich realistisch ist,
eine Art Quantum Imaging, bei der man wertvolle Photonen besser nutzen könnte,
als dies bei den Photonen in einer Art klassischem Zustand der Fall ist.
Es ist sehr schwierig, eine Anwendung zu finden, bei der es nicht besser wäre, einfach das Licht zu verstärken.
Aber man könnte sich biologische Anwendungen vorstellen,
wo man beschädigtes Gewebe selbst einiger weniger Photonen oder energetischer Photonen vermeiden möchte.
Das wäre möglicherweise eine Anwendung.
Aber ich kenne mich in der Biologie nicht gut genug aus, um sagen zu können, wie realistisch eine solche Anwendung ist.
Und es könnte weitere Anwendungen geben, wo man etwas über entfernte Objekte erfahren möchte,
ohne dass jemand erfährt, dass man sie beleuchtet.
Und man kann sich vorstellen, um welche Situationen es dann gehen könnte.
Und eine solche Art von Quantum Imaging-Technik könnte unter solchen Umständen nützlich sein.
Aber bei solchen Anwendungen kenne ich mich noch weniger aus.
Ich frage mich, ob bessere Atomuhren auch für Navigationsaufgaben nützlich sein könnten wie zum Beispiel autonome Automobile?
Ich habe in meinem Vortrag schon gesagt, dass wir, wenn wir bessere Uhren herstellen,
auch immer Einsatzmöglichkeiten dafür finden.
Aber im Sinne Ihrer Frage ist es möglicherweise relevanter,
dass z. B. in unserem Labor am NIST eine andere Gruppe Miniaturatomuhren herstellt.
Und es zeigt sich, dass Atome in den richtigen Phasen sehr empfindlich gegenüber Magnetfeldern sind.
Und in diesem von mir genannten Projekt werden Miniaturatomuhren als Sonden für Magnetfelder benutzt.
Und sie fangen jetzt an, Hirnwellen über die Magnetfelder zu messen, die abgegeben werden.
Das sieht nach einer vielversprechenden und möglicherweise sehr nützlichen Anwendung für die Gesellschaft aus.
Danke.
Mich hat die Tatsache verblüfft, dass all unsere Kameras über so viel mehr Potenzial verfügen.
Man könnte beispielsweise einen größeren Intensivitätsbereich, aber auch viel größere Farbbereiche erfassen.
Alle Kameras, die wir normalerweise verwenden, gehen davon aus,
dass man nicht mehr Farben sehen möchte, als das menschliche Auge sehen kann.
Aber das ist nur eine biologische Unterscheidung von uns.
Die Kamera könnte Hunderte verschiedene Farben statt gerade einmal 3 erfassen,
woraus sich meiner Meinung nach sehr interessante Anwendungen ergeben könnten.
Man würde die Welt völlig anders sehen, wenn es eine Kamera gäbe, die Bilder erstellt,
bei denen man auf dem Display einstellen kann, welche Farbe man sehen möchte und jederzeit andere Farben sehen könnte.
Das wäre ein möglicher Fortschritt in der Fotografie, an den heute noch niemand denkt.
Und ich frage mich, wie die Quantentechnologie uns dabei helfen könnte, Photonen auf diesen Gittern zu registrieren,
wobei man automatisch die Frequenz des Photons mit einer gewissen Genauigkeit erfasst,
und zwar einer viel größeren als nur dem Logarithmus von 3.
Danke. Ich habe hier eine anwendungsbezogene Frage, die mit etwas zu tun hat, was ich noch nie gehört habe.
Aber es klingt interessant, sodass ich sie stellen werde.
Sie stammt von Chibo vom Centre for Quantum Technologies in Singapur:
"Neben Quantencomputern gab es in letzter Zeit viele Artikel und Forschungen
zu Quantenwärmekraftmaschinen und Quantenkühlschränken.
Einige davon behaupten sogar, dass sie die Carnot-Effizienz übersteigen. Können Sie uns etwas dazu sagen?"
Ich bin kein Experte für die Artikel, die sich damit beschäftigen.
Aber ich halte das zum derzeitigen Zeitpunkt für eine Art von intellektueller Neugier,
dass man in der Lage sein will, solche Ideen zu realisieren.
Was die praktische Umsetzung betrifft, halte ich das mindestens für so weit entfernt wie eine Factoring Machine.
Aber ich halte diese Ideen, bei denen man mit einem einzelnen oder einer kleinen Anzahl von Atomen spielt, für sehr interessant.
Aber ich betrachte das heute eher als eine intellektuelle Neugier,
dass man solche unterschiedlichen Systeme gerne betrachten können möchte.
Ja, auch ich bin kein Spezialist.
Aber ich habe mehrere Papiere dazu gelesen und festgestellt, dass die Leute nicht einer Meinung sind.
Deshalb ist das schwierig zu beurteilen.
Aber soweit ich das verstanden habe, wird das Carnot-Prinzip dadurch nicht verletzt.
Natürlich weisen Quantensysteme Fluktuationen auf.
Man kann also mit den Fluktuationen spielen, um Situationen oder Ereignisse herauszufinden,
in denen das Carnot-Prinzip oder sogar die Energiekonservierung verletzt werden.
Aber dann muss man wissen, dass das geschieht, weil man von Überlagerungszuständen ausgeht,
die zunächst keine eindeutig definierte Energie haben.
So stößt man auf Situationen, die sehr befremdlich erscheinen
und es einem ermöglichen, mit dem Maxwellschen Dämon und solchen Ideen zu experimentieren.
Aber wenn man das dann intensiv untersucht, denke ich,
dass das erste und das zweite Prinzip der Thermodynamik sehr gut etabliert sind.
Und einige Menschen behaupten sogar, das zweite Prinzip sei wichtiger als die Quantenphysik.
Das ist also eine Frage des Geschmacks.
Wir haben nicht mehr so viel Zeit, aber ich möchte das Thema der Quantenkryptographie noch ansprechen,
das technologisch weit entwickelt ist.
Es gibt kommerzielle Systeme.
Aber noch immer gibt es Probleme wie etwa die Bit-Rate, die man übertragen kann, oder die Entfernung, die man überwinden kann.
Ist die Quantenkryptographie Ihrer Meinung nach etwas, was über die staatliche Nutzung oder die militärische Nutzung hinaus
für die breite Anwendung in einer Art von Quanten-Internet Bedeutung gewinnen könnte?
Was ist Ihr Eindruck?
Ich denke, dass Dave diese Frage zum Teil beantwortet hat, als er sagte,
dass sogar Shor davon ausgeht, dass es einige klassische Wege gibt, die ein Quantencomputer nicht erreichen kann.
Die klassische Kryptographie ist sehr gut etabliert.
Die Quantenkryptographie wird Verwendungsnischen in Bereichen finden, in denen die klassische Kryptographie nicht ausreicht.
Und bis man diese Anwendung gefunden hat, wird sich die Frage stellen, wie wichtig der Markt für die Quantenkryptographie ist.
Das ist mein Eindruck.
Computerleute sagen, dass die Kryptographie im Wesentlichen so gemacht sein muss, dass man damit den Code entschlüsseln kann.
Das ist so, weil das Militär immer wissen will, ob irgendwo ein Terrorist herumläuft
und deshalb wollen die immer in der überlegenen Position sein, jeden Code entschlüsseln zu können.
Sie wollen keine Codes verwenden, die zu schwierig zu entschlüsseln sind.
Wie Sie sagten, ist es klassisch einfach, fantastische Zufallszahlengeneratoren herzustellen,
die grundsätzlich unmöglich zu entschlüsseln sind, sofern man den Code nicht kennt.
Aber wenn der Code Hunderte Stellen lang ist, dann ist er natürlich klassischerweise unmöglich zu entziffern.
Quantenmechanisch wäre das Problem, dass man einfach Hunderte verschiedene Arten von Codes entwickeln könnte.
Wenn für jeden Code eine neue Maschine gebaut werden müsste, wäre das natürlich nicht der Mühe wert.
Ich glaube also, dass diese fantastischen Codes in der Praxis nur von begrenztem Wert sind.
Ich möchte zwei Dinge dazu sagen.
Eine wichtige Entwicklung, die in der Quantenkommunikation noch immer bevorsteht, ist der Quanten-Repeater.
Wir haben keine Möglichkeit, Informationen über weite Entfernungen über Lichtwellenleiter zu übertragen,
wenn wir keinen Quanten-Repeater haben.
Der Quanten-Repeater ist wie ein kleiner Quantencomputer, der eine Fehlerkorrektur auf einem logischen Qubit, das gesendet wird,
statt einem einzigen physikalischen Qubit durchführt.
Und das klingt gar nicht so schwierig in der Durchführung.
Aber es betrifft ein wirklich wichtiges Problem: Wie gestaltet man die Schnittstelle zwischen dem Prozessor
und den fliegenden Qubits, bei denen es sich fast mit Sicherheit um Photonen handelt?
Diese wichtige Entwicklung steht also noch bevor und ist meiner Meinung nach durchaus in Reichweite.
Ein anderer Aspekt, den es zu betonen gilt, sind die Dinge, die bereits gesagt wurden.
Ich glaube nicht, dass wirklich viele Menschen für die Art von Nachrichten, die sie versenden,
eine Quantenverschlüsselung oder eine Quantum Key Distribution benötigen.
Im Augenblick ist es ganz einfach.
Ihre Kreditkartennummer ist einfach nicht so viel wert und Ihre Liebesbriefe sind es auch nicht.
Also die einzige Sache, die ich mir in diesem Bereich vorstellen könnte, wäre eine Art von Geheimnis,
die man in Zukunft nicht für genügend gesichert hält,
dass man sich also die Technologie vorstellen könnte, die das knacken könnte.
Das ist sogar bei Standard-Public-Key-Verschlüsselungen im Gegensatz zu einer dieser neuen Techniken einfach genug.
Es ist einfach genug, einen ausreichend großen Schlüssel zu erhalten, dass er von niemandem so schnell geknackt werden kann.
Es gibt einige Geheimnisse, deren Lüftung man sich selbst in 20 bis 30 Jahren nicht wünscht.
Und für solche Geheimnisse wäre es möglicherweise sehr bedeutsam, einen Quantenschlüssel zu verwenden.
Aber es gibt einen weiteren Aspekt, nämlich den,
dass wie bei jedem Geheimnis die Übertragungssicherheit nur ein Aspekt zur Erhaltung dieses Geheimnisses ist.
Viele Menschen, die tatsächlich mit geheimen Informationen zu tun haben, werden Ihnen wahrscheinlich bestätigen,
dass die Art menschlicher Intelligenz, die es einem ermöglicht, die Person zu kompromittieren, die Zugang zum Aktenschrank hat,
in dem sich die gesuchte Nachricht befindet, der wesentlich effizientere Weg ist, an das Geheimnis zu gelangen,
als durch Abfangen der Nachricht und deren Quantenentschlüsselung.
Ein weiterer Kommentar?
Dem stimme ich zu. (Lachen)
Ich habe eine sehr interessante Frage, die sehr gut zum Ende der Diskussion passt, weil sie in die Zukunft schaut.
Sie stammt von Filippo Caruso von der Universität Florenz in Italien:
"Ausgehend von einem anderen Blickwinkel: Glauben Sie, dass die Erforschung der Quantentechnologien
es uns tatsächlich ermöglichen wird, über die Quantentheorie hinauszugehen?"
Ich habe die Frage akustisch nicht ganz verstanden.
Bitte wiederholen Sie die Frage.
Ausgehend von einem anderen Blickwinkel: Glauben Sie, dass die Erforschung der Quantentechnologien
es uns tatsächlich ermöglichen wird, über die Quantentheorie hinauszugehen?
Ja. Tatsächlich habe ich ja zu Beginn die Hypothese erwähnt, dass es grundlegende Grenzen für den Quantencomputer gibt
und dass diese Hypothese auf meiner Wahrnehmung dessen basiert, was Quantenmechanik ist.
Ich habe vor ungefähr drei Jahren ein Papier geschrieben, in dem ich erkläre,
wie die Quantenphysik durch eine klassische, man könnte sagen, versteckte variable Theorie erklärt werden kann.
Das bedeutet, dass im Planck-Maßstab alles wieder klassisch wird.
Und das wiederum heißt, dass man das offensichtlich mit einem klassischen Computer nachahmen könnte, was implizieren würde,
dass alles, was in dieser Quantenwelt geschieht, mit einem klassischen Computer nachgeahmt werden könnte,
wenn man ihn auf Plancksche Dimensionen vergrößert.
Keiner kann einen solchen Computer herstellen und deshalb hätten klassischen Computer nach wie vor einen enormen Wert,
weil sie durch nichts nachgeahmt werden können, was nicht so leistungsstark ist wie dieser skalierte klassische Computer.
Aber wenn jemand diese Annahme von mir widerlegt, was grundsätzlich möglich ist,
kann man sich Quantencomputer mit Millionen von Qubits vorstellen.
Und falls das funktioniert, kann er Dinge tun, die die gerade gemachte Behauptung widerlegen würden,
weil man nach einigen Tausend Qubits oder so Probleme mit dem Quantencomputer lösen kann,
die niemals, auch nicht von einem skalierten klassischen Computer erreicht werden könnten.
Dann würde meine Theorie in Schwierigkeiten geraten.
Grundsätzlich könnte man also durch den Bau eines Quantencomputers sagen, ob diese Idee falsch ist oder eine Chance hat.
Wir berühren also Fragen der Interpretation von Quantenmechanik.
Und ich begegne immer mal wieder diesen Geschichten von Menschen, die Schrödinger Katzen herstellen wollen.
Und ja, nach meiner Interpretation kann sich Schrödingers Katze nie in einer Überlagerung der Zustände befinden.
Sobald sie klassische Dimensionen erreicht, muss sie entweder tot oder lebendig sein, aber nichts dazwischen.
Wenn jemand Katzen herstellen könnte, die sich zwischen dem lebendigen und dem toten Zustand befinden
und das in irgendeiner praktischen Form verwenden könnte,
hätte ich Schwierigkeiten, das im Sinne einer klassisch zugrunde liegenden Theorie zu interpretieren.
Diese Katze müsste entweder tot oder lebendig sein.
Also, ja, die Antwort lautet, dass wenn die Technologie weit über das hinausgehen würde, wo sie jetzt steht,
und tatsächlich Regionen erreichen würde, wo man von der Tatsache verblüfft wird, dass selbst ein klassischer Computer
das nicht nachahmen kann, wenn das im Planckschen Maßstab geschähe, würde ich in Probleme geraten.
Wenn Sie mich also in Probleme bringen wollen – ja.
Ich wurde bezüglich Schrödingers Katze herausgefordert, deshalb sollte ich wohl antworten.
Ja, es geht um die Superposition von Zuständen und die Interpretation der Quantenmechanik.
Und ich glaube, dass viele Menschen die Tatsache nicht mögen, dass Quantenphysik im Wesentlichen zufällig ist.
Man kann das exakte Ergebnis einer Messung nicht vorhersagen.
Es geht nur um Wahrscheinlichkeiten.
Und diese Menschen befinden sich in guter Gesellschaft,
weil beispielsweise auch Einstein diesen Aspekt der Quantenphysik nicht mochte.
Sie haben versucht, Modelle zu entwickeln, die über die orthodoxe Quantenmechanik hinausgehen,
um Prozesse oder Mechanismen zu identifizieren,
die für ein ausreichend großes System auf etwas Deterministisches zurückgreifen würden.
Und ich glaube, die einzige Antwort ist zu versuchen, Experimente durchzuführen.
Und bei der Durchführung solcher Experimente muss man natürlich dafür sorgen, dass der entdeckte Prozess
nicht lediglich eine alltägliche Dekohärenz aufweist, die sich im Rahmen der Quantenphysik erklären lässt
und die erklärt, warum Schrödingers Katzen ihre Quantenkohärenz sehr schnell verlieren.
Alle Studien, die wir zur Kontrolle der Dekohärenz durchgeführt haben,
beispielsweise in dem Versuch, das ewige Qubit zu konstruieren, beantworten diese Frage:
Können wir also diese Art von Dekohärenz loswerden, wenn wir etwas finden wollen, was grundlegender ist?
Ich halte die Verbindung zwischen solchen grundlegenden Fragen und Technologie historisch für sehr interessant.
In den 1980er-Jahren zählte Anthony Leggett zu den Physikern,
die wirklich mit dem Geschäft der supraleitenden Qubits begonnen haben,
weil er herausfinden wollte, ob es etwas jenseits der Quantenphysik gibt.
Und er wollte herausfinden, ob diese mikroskopischen Schaltungen sich quantenmechanisch verhalten könnten,
und er entwickelte die ersten Ideen zu Josephson-Tunnels und dem Bau von Qubits.
Und das hat Clarke in Berkeley und dessen gesamten Nachfolgern angetrieben,
die heute in Yale, bei Martinis in Santa Barbara arbeiten.
Google. Martinis bei Google.
Ja. Bis heute wurde die Quantenmechanik bestärkt.
Diese großen Systeme befolgen nach wie vor die Quantenphysik.
Ich halte das für ein wunderbares Beispiel dieses Wechselspiel zwischen Ideen, Grundlagenphysik und Technologien und die Antwort?
Wir kennen die Antwort nicht, in erster Linie, weil es um Forschung geht.
Aber was ich sagen kann, ist, dass die Quantenphysik bis heute funktioniert.
Und die Aussage „Just shut up and calculate“ war bisher sehr wirksam.
Ich denke, hier wird einer der Gründe genannt, warum ich an diesem gesamten Feld interessiert bin.
Es berührt wirklich eine der grundlegendsten Ideen über die Quantenmechanik.
Ich bin tatsächlich ein großer Verfechter von „Shut up and calculate“,
aber ich bin sicherlich bereit, über einige dieser verrückten und wunderbaren Ideen nachzudenken.
Und wenn es beispielsweise eine grundlegende Form von Dekohärenz gibt – und viele Menschen haben das in einer Weise behauptet,
die weniger weit entwickelt ist als Ihre Ideen – dann könnten wir zunächst die Frage stellen: Wird das geschehen?
Und falls ja, können wir Quantenfehler korrigieren?
Das ist eine offene Frage, weil wir meiner Meinung nach nicht wirklich verstehen,
welcher Art eine solch grundlegende Quelle der Dekohärenz ist, etwas, das unabhängig davon dekohäriert,
ob das System groß genug ist oder bei dem es sich um etwas handelt, das sich mit der Größe des Systems multipliziert.
Aber wir verstehen ja nicht einmal die Bedeutung der Aussage, dass ein System groß wird.
Was konstituiert beispielsweise eine große Katze?
Ist das etwas, bei dem es sich um ein massives Objekt handelt,
das aus jede Menge Atomen besteht, die sowohl hier als auch hier sind?
Nun, viele Menschen würden sagen, dass das nur ein Freiheitsgrad ist, aber andererseits ist er groß.
Und wenn ich andererseits beispielsweise ein Gerät habe, was wir in meinem Labor gerne herstellen würden,
bei dem eine Million Atome sich um einen Ring in eine Richtung bewegen,
überlagert durch dieselbe Million Atome, die sich in die andere Richtung bewegen.
Das ist ein Zwei-Stufen-System.
Es ist ein Zwei-Stufen-System, aber ich kann diese Atome trennen und sie in einen Interferometer geben
und könnte einen Gewinn von Wurzel aus einer Million mehr erzeugen, als das, was ich in einem kohärenten Zustand hätte.
Und für mich hätte diese Art von Katzenzustand ein hohes Maß dessen, was ich als Katzenhaftigkeit bezeichnen würde.
Während so etwas wie ein großes Pendel oder ein C60-Molekül eine Katzenhaftigkeit von 1 hätte.
Sie wollen dazu etwas sagen?
Ich denke, dass die Katzenhaftigkeit mit der Empfindlichkeit gegenüber Perturbation zusammenhängt.
Wenn man das verwenden kann, um einen Verstärkungsfaktor der Quadratwurzel von N zu erhalten,
ist das wirklich ein nichtklassischer Zustand.
Aber das kann auch aus dem gleichen Grund sehr schnell dekohärieren, weil es am effizientesten mit der Umgebung verbunden ist.
Ich weiß, dass Theoretiker quantitative Messungen der Katzenhaftigkeit entwickelt haben
- und ich habe keine Zeit, darauf einzugehen -, aber das ist etwas präziser als das, was wir darüber sagen.
Ich möchte nur eine Bemerkung dazu machen.
Ich muss sagen, dass ich in der Welt des „Shut up and calculate“ leben muss, um weiterhin bezahlt zu werden.
Aber ich bin tatsächlich davon überzeugt, dass es etwas wirklich Grundlegendes zu entdecken gibt.
Die Quantenmechanik prognostiziert doch eine kohärente Entwicklung und Überlagerungen und ähnliche Dinge.
Wie viele wahrscheinlich wissen, gibt es Experimente, bei denen versucht wird, Überlagerungen herzustellen
und Überlagerungen mit immer größeren Objekten zu verschränken
in der Hoffnung, dass man dabei einen grundlegenden Dekohärenzmechanismus herausfindet.
Das wäre natürlich meines Erachtens eine fantastische Entdeckung,
wenn es einen zugrunde liegenden Dekohärenzmechanismus gäbe, den wir bisher nicht beobachtet haben.
Und das würde wohl demjenigen, der das beobachtet, wahrscheinlich einen Nobelpreis einbringen.
Und das würde wahrscheinlich unsere gesamten Finanzierungen im Quantum Computing beenden,
weil dann die Sicherheitsbehörden wüssten, dass kein Quantencomputer gebaut werden kann.
Das erinnert mich an eine Bemerkung von Scott Aaronson der sagte,
dass das interessanteste Ergebnis wäre, wenn ein Quantencomputer nicht funktioniert, weil wir dann am meisten lernen würden.
Stimmt.
Ich möchte gerne noch die Frage von Bill beantworten, nämlich, welche Art von Dekohärenz benötigt wird,
um eine realistische Theorie der Quantenmechanik zu erreichen,
die offensichtlich nicht quantenmechanisch ist und die den Quantencomputer letztendlich in Teile aufgliedert.
Meine Antwort wäre, meine mutmaßliche Antwort, weil ich dafür keinen Beweis jeglicher Art habe.
Die Mutmaßung also ist, dass es sich um die Art von Dekohärenz handelt,
die hinter der widersprüchlichen Natur des unsterblichen Qubits steckt, über die wir bereits gesprochen haben.
Wir sagten ja, das Problem wäre: Wie stellt man das Mikrofon vor ein unendliches Qubit?
Die Antwort sollte konkret lauten, dass bereits in den bekannten Naturgesetzen, die wir alle lieben und untersuchen möchten,
bereits die Grenzen dessen enthalten sind, was man mit Qubits anstellen kann.
Egal, was man tut, wird man feststellen, dass man kein Qubit herstellen kann,
das einerseits völlig stabil und kohärent gehalten werden kann und dann durch seine Messung vollständig dekohäriert.
Das widerspricht sich.
Die Naturgesetze würden das also nicht erlauben, die bereits bekannten Naturgesetze. Das ist die Mutmaßung.
Und wenn man dann aber sagt: Ja, ich habe einen fehlerkorrigierenden Code beobachtet,
dann sagt das gleiche Naturgesetz, dass es einige Probleme mit den fehlerkorrigierenden Codes geben wird.
Ich würde sagen, es stimmt, dass nichts jemals perfekt ist.
Aber die Frage ist doch, ob man es gut genug machen kann?
Kann man die Qubit-Qualität, die Gatterqualität und die Fehlerkorrekturqualität gut genug machen,
dass man diese Korrektur durchführen kann?
Ich sehe keinen wesentlichen Grund, warum ich nicht wirklich hart arbeiten könnte
und irgendeinen bestimmten Wert erhalten kann im Gegensatz zu perfekt, der gar nicht wirklich perfekt sein müsste.
Ich muss mich einfach nur durch die Kalkulation hindurcharbeiten.
Du stellst vielleicht fest, dass du der Obergrenze immer näher kommst, dass du darüber nicht hinausgehen kannst.
Das ist eine vorstellbare Situation.
Aber meine Theorie ist ganz eindeutig.
Wenn man etwas besser machen kann als das, was der klassische Computer in Planck-Dimensionen kann –
was ein Nicht-Anti-Statement ist, weil behauptet wird, dass man nicht-polynominale Probleme lösen kann –
dann ist das grundsätzlich etwas, was man versuchen könnte.
Ich erwarte nicht, dass das sehr bald geschieht, aber das ist etwas, was man versuchen könnte.
Absolut. Wenn die Grenze grundlegend ist, ist das eine andere Geschichte.
Tut mir leid, dass ich Sie erneut unterbrechen muss.
Aber in acht Minuten endet die Diskussion und ich wollte das Publikum, zwei oder drei Freiwillige bitten, ein Fazit zu ziehen.
Was ist Ihre Meinung: Hat die Quantentechnologie Zukunft oder nicht und warum?
Vielen Dank für diese interessante Diskussion.
Ich habe einige Anmerkungen.
Entschuldigung, mein Name ist Jacque Carolan vom Research MIT.
Als Sie über den 5-Qubit-IBM-Quantencomputer gesprochen haben, diesen PR-Gag, war das ziemlich abfällig.
Aber ich meine, das war ein PR-Gag, aber doch nicht nur ein PR-Gag.
Diese Geräte haben doch eine Bedeutung, und zwar hauptsächlich aus zwei Gründen.
Zum einen ermöglicht es Theoretikern sozusagen, mit dieser Art von experimentellen Instrumenten zu spielen.
Seit der Veröffentlichung habe ich im Archiv 2 Papiere von Theoretikern gefunden,
die tatsächlich Experimente zu diesem Gerät durchgeführt haben und die Ergebnisse veröffentlicht haben.
Ich halte das deshalb für eine tolle Sache.
Aber zweitens ist es auch ein pädagogisches Instrument, ein pädagogisches Instrument für Jugendliche.
Sollten wir also die Entscheidung treffen, einen Quantencomputer zu bauen, wird das ziemlich schwierig, okay.
Wenn man 10^8 Qubits erzeugen möchte, was wahrscheinlich nötig ist, um eine 1.000-Bit-Zahl zu berücksichtigen,
dann ist mir nicht deutlich, dass irgendeine Technologie zurzeit tatsächlich darauf skaliert werden kann.
Aber wir werden kleinskalige Quantensysteme haben.
Und die Leute, die diese Systeme verwenden und mit neuen Algorithmen kommen,
sind die Theoretiker, die Einblicke in Experimente haben und die Jugendlichen, die Bell-Ungleichungen im Internet verletzt haben.
Bildung ist also wichtig.
Ich interpretiere das also als ein Ja.
Ich bin Alex von der Eidgenössischen Technischen Hochschule.
Ich möchte zunächst allen für diese wunderbare Diskussion danken.
Und zweitens möchte ich einen Witz erzählen.
Es ist immer schwer, etwas vorherzusagen.
Wie wir wissen, könnten Synoptiker das Wetter mit absoluter Genauigkeit nur für gestern vorhersagen.
Mein Argument ist, dass wir auch dann, wenn wir den Quantencomputer nicht erreichen können,
Geld in die Grundlagenforschung investieren sollten, weil wir dann, unabhängig vom Erfolg,
möglicherweise sogar etwas noch Besseres tun können, was wir heute noch nicht vorhersagen können.
Vielen Dank.
Noch eine Stellungnahme?
Meine Freunde hier rollen schon mit den Augen, weil ich womögllich zu viel rede.
Es scheint so zu sein, als wollten wir „Ja“ oder „Nein“ zur Quantentechnologie sagen.
Das ist schwer zu verwirklichen, wie alle bereits sagten.
Aber leider scheint es eher so zu sein, dass die Quantentechnologie zur Geschichte des 20. Jahrhunderts
und nicht zur Zukunft des 21. Jahrhunderts gehört.
Damit will ich nicht sagen, dass das auf den Müll gehört.
Aber es geht eher darum, wie auch David Wineland bereits sagte, dass sie sich kontinuierlich weiterentwickelt.
Und ich halte die Vorstellung für sehr spannend, dass eine ganz neue Art von Theorie entdeckt werden könnte.
Man kann absolut nichts darüber sagen, gar nichts.
Wir haben auch die Quantenmechanik nie erwartet - zumindest Lord Kelvin nicht - und dann war sie doch da.
Deshalb werden wir abwarten müssen, wie weit das geht.
Aber wir haben bereits eine Menge Quantentechnologien in unser Leben treten sehen.
Das spielt bereits eine Rolle und das wird nicht aufhören.
Das wird weitergehen und bedeutender werden.
Und dann wird möglicherweise noch etwas anderes dazukommen, das eine Rolle spielt.
Deshalb möchte ich ein weiteres Wort neben Ja und Nein einführen: Vielleicht!
Okay, ein weiteres Vielleicht oder Ja oder Nein?
Ich bin Hendrik Weinmann, Leibnitz Universität Hannover.
Ich möchte eine sehr egoistische Antwort auf die Frage beisteuern.
Ich bin Vielkörpertheoretiker und wenn wir über ein System mit 40 Qubits reden,
lautet die Zukunft für mich definitiv Quantentechnologie, weil ich definitiv versuchen werde, eines dieser Systeme zu kaufen.
Danke.
Das war ein eindeutiges Ja.
Vielleicht kann Ihnen Rainer Blatt eines verkaufen.
Ich kann nicht sehen, ob da oben jemand etwas sagen möchte. Nein?
Ich bin Jasmin und mache Quantenoptik.
Ich habe ein Labor mit einigen Qubits und kann sie messen und manipulieren.
Aber wie Sie bereits sagten, kann man einige Qubits auch auf dem eigenen Computer sehr einfach simulieren.
Manchmal frage ich mich tatsächlich, warum ich das Experiment überhaupt machen sollte.
Aber wie wir auch in diesem Gespräch gesehen haben, verstehen wir immer noch nicht viel davon,
was wir mit Quantenmechanik anstellen können und wie wir das am besten nutzen können.
Es ist also wirklich ein sehr aufregendes Gebiet.
Vielen Dank für die Diskussion.
Und ich möchte eine letzte Aussage von dem Mann hier hinten aufgreifen - er meldet sich sehr intensiv.
Ich möchte das aus einer anderen Perspektive betrachten.
Vielleicht ist es für jemanden auf dem Niveau eines Nobelpreisträgers sehr schwierig, das so zu sehen.
Aber für jemanden Jüngeren wie mich ist die Idee eines Quantencomputers so kraftvoll, dass sie dazu inspiriert, Physik zu lernen.
Ich selbst habe beispielsweise einen Bachelor in Elektrotechnik und die Vorstellung von einem Quantencomputer,
von Quantenkommunikation hat mich tatsächlich veranlasst, meinen Master auf Photonik zu ändern und ich mache jetzt Quantenoptik.
Und selbst, wenn Sie den Quantencomputer nicht für so vielversprechend halten, dass er tatsächlich Wirklichkeit werden kann,
würde ich sagen: Gebt die Hoffnung nicht auf, weil sich das wirklich auf die jungen Leute auswirken würde! (Applaus.)
So möchte ich damit schließen, dass Verheißungen für die Quantentechnologie wichtig für die Motivation sind.
Und es war eine sehr interessante Diskussion.
Die Podiumsteilnehmer haben die Quantentechnologie sicherlich nicht übermäßig angepriesen.
Und nach meinem Eindruck ist das gut, weil die Quantentechnologie nichts Deterministisches ist,
für das wir einen Plan haben, dass es 2050 einen Quantencomputer geben wird usw.
Das wäre auch irgendwie langweilig.
Es geht also nach wie vor um Grundlagenforschung.
Und die ist von Wissensdurst getrieben.
Und das ist aufregend.
Und als Journalist freue ich mich darauf, in Zukunft viele sehr faszinierende Dinge über dieses Feld schreiben zu können.
Vielen Dank an das Publikum.
(Applaus.)