Podcast mit Nicole Yunger Halpern, QuICS-Physikerin

Mein heutiger Gast ist Nicole Yunger Halpern, eine QuICS-Physikerin und außerordentliche Assistenzprofessorin an der Universität von Maryland. Nicole ist auch die Autorin des neuen Buches "Quantum Steampunk: The Physics of Yesterday's tomorrow". Nicole und ich sprechen über ihr Buch, die Quanten-Thermodynamik, darüber, ob es ihrer Karriere geholfen oder geschadet hat, eine Frau zu sein, und vieles mehr.

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Yuval: Hallo, Nicole. Und danke, dass Sie heute bei mir sind.

Nicole: Vielen Dank, dass ich bei diesem Podcast dabei sein darf.

Yuval: Wer sind Sie und was machen Sie?

Nicole: Ich bin eine theoretische Physikerin. Ich trage viele Hüte. Derzeit bin ich beim National Institute of Standards and Technology beschäftigt. Ich bin Stipendiatin am QuICS, dem Joint Center for Quantum Information and Computer Science (Gemeinsames Zentrum für Quanteninformation und Computerwissenschaft), das gemeinsam vom NIST und der University of Maryland betrieben wird, wo ich als außerordentliche Professorin tätig bin. Aber der wichtigste Teil davon ist die Arbeit als theoretischer Physiker, und außerdem bin ich Autor eines Buches, das in diesem Frühjahr veröffentlicht wird.

Ich beschäftige mich mit Quanten-Thermodynamik und Quanten-Informationstheorie. Die Idee hinter der Quanten-Thermodynamik ist, dass die Thermodynamik, die Wissenschaft von der Energie, im 19. Jahrhundert entwickelt wurde, also lange bevor die Menschen die Quantentheorie kannten und bevor jeder akzeptierte, dass die Materialien, aus denen unsere Alltagswelt besteht, aus Atomen bestehen, die zu klein sind, um sie zu sehen.

Die Thermodynamik wurde also für große klassische Systeme entwickelt, und einige der Konzepte der Thermodynamik haben durch die statistische Quantenmechanik Eingang in den Quantenbereich gefunden, aber die statistische Mechanik unterscheidet sich stark von der Thermodynamik. Die Thermodynamik ist eine operative Theorie, ähnlich wie die Informationstheorie. Wenn wir Informationstheorie betreiben oder über Informationsverarbeitung nachdenken, denken wir an Agenten, die über bestimmte Ressourcen verfügen und bestimmte Aufgaben bewältigen wollen. Wir denken oft an eine Alice und einen Bob, die versuchen, über einen verrauschten Kanal zu kommunizieren, und wir fragen, wie effizient sie diese Aufgabe erfüllen können. Ähnlich denken wir in der Thermodynamik über Agenten nach, die Fabriken oder Autos antreiben oder Batterien aufladen wollen.

Und die Technologie, die wir heute haben, unterscheidet sich in mancher Hinsicht, nun ja, in vielerlei Hinsicht von der Technologie zur Zeit der Gründung der Thermodynamik. Die Thermodynamik wurde während der industriellen Revolution entwickelt, als die Dampfmaschine eine der neuesten Technologien war. Wir müssen also die Thermodynamik für kleine Systeme, Quantensysteme, Informationsverarbeitungssysteme und Systeme, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, neu formulieren oder neu konzipieren. Meine Gruppe und ich beteiligen uns an dieser Neuformulierung der Thermodynamik, um eine Theorie der Quanten-Thermodynamik zu entwickeln, die die mathematischen und konzeptionellen Werkzeuge der Quanteninformationstheorie nutzt. Und wir nehmen dieses Instrumentarium der quanteninformationstheoretischen Thermodynamik auch mit in andere Bereiche der Wissenschaft, wie Chemie, kondensierte Materie und atomare, molekulare und optische Physik, und nutzen diese Werkzeuge, um neue Lösungen für alte Probleme oder neue Fragen zu finden.

Yuval: Sie haben also ein neues Buch herausgebracht. Bitte erzähl mir davon.

Nicole: Sicher. Das Buch heißt Quanten-Steampunk: Die Physik von gestern und morgen. Und die Grundidee ist, dass ein Genre der Science-Fiction namens Steampunk, das ich erklären werde, an der Schnittstelle von Quantenphysik, Informationstheorie und Thermodynamik zum Leben erwacht. Steampunk ist ein Genre der Literatur, der Kunst und des Films. Und in Steampunk-Werken gibt es Schauplätze aus den 1800er Jahren. Jahrhundert, also das viktorianische London oder der Wilde Westen, zusammen mit futuristischen Technologien wie Zeitmaschinen oder Automaten, die oft mit Dampf betrieben werden.

Es gibt also diese wunderbare Mischung aus Alt und Neu, die ein Gefühl von Nostalgie, aber auch von Abenteuer und Romantik vermittelt. Und ich sehe dieses Genre wirklich im Geiste der Quanten-Thermodynamik verwirklicht. Wie ich bereits erwähnt habe, wurde die Quanten-Thermodynamik während der industriellen Revolution entwickelt, die im viktorianischen Zeitalter stattfand. Andererseits ist die Quanteninformation eine hochmoderne Technologie. Quantencomputer sind bis zu einem gewissen Grad noch futuristische Technologien. Die Quanten-Thermodynamik ist also eine Mischung aus der alten, viktorianischen Ära und der neuen, zukunftsweisenden Technologie.

Yuval: Ich habe das Buch gelesen und fand es manchmal skurril und manchmal faszinierend, aber immer unterhaltsam.

Nicole: Ich weiß das zu schätzen.

Yuval: Ich frage mich, wenn ich die Zielgruppe bin, wen würden Sie gerne sehen, der dieses Buch liest?

Nicole: Ich würde dieses Buch gerne in den Händen einer Vielzahl von Menschen sehen, Menschen, die breit gebildet und interessiert sind, diese Menschen könnten sich für Wissenschaft und Physik interessieren. Vielleicht haben sie das neueste Buch von Brian Greene gelesen und sind vielleicht schon mit Stephen Hawkings Arbeit über Schwarze Löcher in Berührung gekommen. Sie halten sich also gerne über die Nachrichtenmedien über die Wissenschaft auf dem Laufenden, oder sie sind eher literarisch interessiert oder vielleicht sogar ein Fan von Science-Fiction, oder sie sind ganz normale Wissenschaftler, die vielleicht gehört haben, dass es viel Wirbel um Quanten-Thermodynamik und Quantencomputer gibt, und die wissen wollen, was es damit auf sich hat. Aber ich hoffe, dass all diese Leser, potenzielle Leser mit unterschiedlichem Hintergrund, das Buch zumindest auf irgendeine Weise unterhaltsam finden werden.

Ich denke, dass verschiedene Leute verschiedene Dinge aus dem Buch mitnehmen werden. Es hat diese sehr unterschiedlichen, oder es kombiniert verschiedene Perspektiven. Es geht um harte Wissenschaft, aber es gibt auch einen Sinn für Ästhetik. Und ich beziehe mich sehr oft auf Literatur, Kunst und Geschichte. Ich hoffe also, dass sich diese Aspekte so verbinden, dass das Buch für alle unterhaltsam ist.

Yuval: Wie wird die Fortsetzung aussehen? Was ist das nächste Buch der Serie?

Nicole: Ich denke, wir werden sehen, wohin meine Forschung im nächsten Jahrzehnt führt. Aber ich bin gefragt worden, ob ich, nachdem ich ein Sachbuch über Steampunk geschrieben habe, als nächstes einen Steampunk-Roman schreiben werde. Ich habe nicht vor, einen Steampunk-Roman zu schreiben, aber wenn Literaturagenten, die sich mit Steampunk-Romanen oder Fantasy-Romanen befassen, der Meinung sind, dass es eine gute Idee wäre, wenn ich versuchen würde, einen solchen zu schreiben, dann würde ich mich freuen, von ihnen zu hören.

Yuval: Nun, und wir sollten natürlich über den Film sprechen, oder? Der Quanten-Steampunk-Film. 

In dem Buch beschreiben Sie auch ein paar Dinge über Ihren Weg in das Fachgebiet, sei es der Postdoc oder das, was Sie in der Schule gelernt haben, und einige der Menschen, die Sie beeinflusst haben, die den größten Beitrag dazu geleistet haben, wer Sie heute sind?

Nicole: Ich würde gerne sagen, dass ich es getan habe. Ich bin mir sicher, dass meine Mutter sagen würde, dass sie es getan hat. Ich bin also dankbar für viele Einflüsse in meinem Leben. Ich bin sehr dankbar dafür, dass ich viele Mentoren aus verschiedenen Bereichen und aus der ganzen Welt hatte. Und ich bin meiner Familie sehr dankbar, dass sie mich mein ganzes Leben lang stark unterstützt und mir die Bedeutung einer Ausbildung vermittelt hat. Und, wie ich am Ende des Buches in den Danksagungen erwähnt habe, hat mich auch mein Mann unterstützt, insbesondere bei diesem Buch, indem er an den Wochenenden Muffins gebacken hat, um meine morgendlichen Schreibsessions zu unterstützen.

Aber davon abgesehen war ich dankbar für viele Mentorenschaften. Und ich denke, das ist für einen jungen Wissenschaftler besonders wichtig. Die Wissenschaft ist wirklich hart, und es ist sehr wichtig für uns, Leute zu haben, die sagen: Auch wenn du denkst, dass das, was du tust, sehr schwierig ist und du vielleicht denkst, dass du es nicht schaffen kannst, weiß ich, dass du es schaffen kannst, weil ich eine externe Perspektive habe und hier ist, warum du es schaffen kannst und warum es wirklich das Beste wäre, einfach durchzuhalten, weil du es kannst.

Yuval: Wir bekommen hier bei Classiq viele Fragen zum Thema Vielfalt, und wir hatten das Glück, mehrere wunderbare Wissenschaftlerinnen einstellen zu können. Haben Sie das Gefühl, dass Ihr Weg schwieriger oder leichter war, weil Sie eine Frau sind?

Nicole: Das ist eine interessante Frage. Ich weiß, dass es eine Menge Einflüsse gibt, die hinter verschlossenen Türen wirken und die Vielfalt betreffen, die ich nicht sehe. Ich habe zum Beispiel einmal an einem Workshop für junge Frauen in der Physik teilgenommen, die Fakultätsmitglieder am MIT werden wollen, und ich habe mit einer wirklich fantastischen Physikprofessorin am MIT gesprochen, die eine Frau ist. Und ich fragte sie: "Manchmal bin ich ein wenig besorgt, dass man mich bittet, Vorträge zu halten und so weiter und so fort, nur weil ich eine Frau bin und man die Vielfalt fördern will." Und sie sagte: "Machen Sie sich darüber keine Sorgen. Denken Sie gar nicht erst darüber nach, denn jeder Vorteil, den Sie dadurch haben könnten, wiegt nicht einmal annähernd all die negativen Auswirkungen auf, die Sie nicht sehen, nur weil Sie eine Frau sind." Es ist also schwierig für mich, das zu beurteilen, aber ich kann sagen, dass ich dankbar bin, in der Quanteninformationstheorie und in der Quantenthermodynamik zu arbeiten, weil diese Bereiche relativ offen und freundlich zu sein scheinen und die Vielfalt relativ gut aufnehmen.

Es handelt sich zum Teil um junge Gemeinschaften, vielleicht hat das mit dem Grund dafür zu tun. Es gibt hier auch gute Unterstützungsnetzwerke. Es gibt zum Beispiel eine Facebook-Gruppe namens Alice Women in Quantum Information. Alice ist eine der beiden Figuren, wie viele Zuhörer wahrscheinlich wissen, in sehr verbreiteten quanteninformationstheoretischen Protokollen. Sie sendet vielleicht eine Nachricht an Bob. Das ist also ein Forum, in dem sich Frauen aus der Quanteninformatik treffen und entweder mitteilen, worauf sie stolz sind, oder Treffen planen oder sich einfach nur austauschen. Und es ist schon etwas Besonderes, wenn man der Gruppe seine Erfahrungen mitteilen kann und Leute, die auf diesem Gebiet wirklich führend sind und über die man in den Kursen zur Quanteninformatik lernt, sagen: Oh ja, das habe ich auch erlebt. Das war meine Erfahrung, um ein Gefühl der Gemeinschaft zu schaffen.

Yuval: Als ich anfing, das Buch zu lesen, sprachen Sie von Qubits und von Verschränkung. Wie lässt sich die Quantenthermodynamik auf den Bau besserer Quantencomputer anwenden oder anwenden?

Nicole: Zwischen der Quanteninformation und der Quantenthermodynamik gibt es eine Art Zweibahnstraße. Einerseits hat die Quanteninformatik in Teilen, zusätzlich zu den grundlegenden Fragen, zur Entwicklung eines wunderbaren mathematischen und konzeptionellen Werkzeugs geführt, der Quanteninformationstheorie. Und die Quanteninformationstheorie wird als Instrumentarium genutzt, um viele verschiedene Wissenschaftsbereiche wie die Theorie der kondensierten Materie und der Hochenergie sowie die atomare, molekulare und optische Physik neu zu gestalten. Als Quanten-Thermodynamiker nutzen wir heute die Werkzeuge der Quanteninformationstheorie und wenden sie auf die Thermodynamik an, um uns ein neues Bild davon zu machen, wie Systeme Energie und Informationen austauschen.

Andererseits kann man sich fragen, ob die Quantenthermodynamik nicht auch Anwendungen für das Quantencomputing haben könnte. Auf ein Beispiel gehe ich im späteren Teil des Buches ein. Ein Beispiel ist die algorithmische Kühlung. Nehmen wir an, dass wir einen Quantencomputer betreiben, dann brauchen wir Qubits, die in einfachen Referenzzuständen vorbereitet sind, die wir oft als Nullzustand bezeichnen. Und dieser Zustand ist oft der Grundzustand der Hamiltonian des Qubits. Um ein Qubit in diesem Zustand zu präparieren, müssen wir das Qubit auf eine möglichst niedrige Temperatur abkühlen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Qubits in diesem Zustand vorzubereiten. Eine davon ist das Konzept eines Wärmebads, einer großen Umgebung mit einer bestimmten Temperatur, mit der man das System in Wechselwirkung bringen kann.

Seit vielen Jahren wird daran gearbeitet, wie man Qubits kühlen kann, indem man sie mit einigen anfänglichen Gattern versieht und versucht, die Korrelationen zwischen den Qubits zu nutzen, um die Informationen in den Qubits auf eine kleine Anzahl von Qubits zu komprimieren, so dass einige der Qubits relativ sauber und korrelationsfrei sind. Und die anderen Qubits enthalten die Korrelationen, die Verschränkungen usw. Wenn man sich also eines dieser Bits anschaut, sieht sein Zustand ähnlich aus wie der maximal gemischte Zustand, also sehr entropisch. Dann könnte man diese Qubits, die schmutzigeren Qubits, mit dem Wärmebad wechselwirken lassen, so dass sie die Temperatur des Wärmebads annehmen. Sie geben also ein wenig von ihrem entropischen Schmutz in das Wärmebad ab, obwohl das Wärmebad nur eine endliche Temperatur hat. Es hat keine so niedrige Temperatur, wie man sie sich für alle Qubits wünscht. Und dann wiederholst du diesen Prozess mehrere Male. Dann kann man viele der Qubits auf eine noch niedrigere Temperatur bringen als die Temperatur des Bades.

Das ist nur ein Beispiel. Und es gibt andere Möglichkeiten, quanten-thermodynamische Protokolle zu nutzen, um Qubits zu kühlen, um sie zurückzusetzen, so dass die Qubits zu neuen, guten, frischen Eingaben für eine Quantenberechnung werden. Das ist nur ein Beispiel.

Yuval: Wenn man etwas über Quantencomputer lernt, ist eines der verwirrendsten Konzepte wohl das der Verschränkung, die glücklicherweise oder unglücklicherweise die Grundlage für gute Quantenalgorithmen bildet. Wie würden Sie die Verschränkung für Uneingeweihte erklären?

Nicole: Ich betrachte Verschränkung als eine Beziehung, die zwischen zwei Teilchen bestehen kann. Nehmen wir an, und diese Beziehung manifestiert sich in Korrelationen. Nehmen wir an, wir haben zwei Teilchen, die verschränkt sind. Wir messen ein Teilchen, wir messen das andere Teilchen. Wir erhalten einige Ergebnisse, die ein wenig zufällig sind, oder zufällig, weil es sich um Messungen von Quantensystemen handelt. Und wir können genau dasselbe in vielen, vielen Versuchen machen, die Teilchen mit einigen Verschränkungen vorbereiten, die Teilchen messen und einige Ergebnisse erhalten. Wir können dies in vielen Versuchen tun und viele Ergebnisse erzielen. Dann können wir die Korrelationen zwischen den Ergebnissen der Messung von Teilchen A und den Messungen von Teilchen B messen.

Was sind Korrelationen? Zwei Ereignisse sind korreliert, wenn die Veränderung des einen Ereignisses die Veränderung des anderen Ereignisses nachzeichnet. Wir können also fragen, inwieweit sich diese Messergebnisse gemeinsam verändern. Wir können also messen, wie stark, grob gesagt, die Teilchen korreliert sind. Und wir können feststellen, dass die Korrelationen größer sein können als die Korrelationen, die man mit klassischen Teilchen erreichen kann. Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, dann haben sie eine besonders starke Beziehung, die keine klassischen Teilchen haben können.

Eine Verschränkung ist eine Umsetzung des alten Sprichworts, dass das Ganze größer ist als die Summe seiner Teile. Verschränkung ist etwas, das nicht in dem einen Teilchen, nicht in dem anderen Teilchen und nicht in der Summe der beiden Teilchen ist, wenn sie einzeln untersucht werden. Es ist wirklich eine Art zwischen den Teilchen oder im gemeinsamen System, nicht nur in einem und dem anderen einzeln.

Yuval: Sehr gut. Ich danke Ihnen dafür. Sie leiten also ein Labor, ich glaube, man nennt es auch Quantum Steampunk, richtig?

Nicole: Ja.

Yuval: Könnten Sie uns ein wenig über die Forschung erzählen, die Sie und Ihre Mitarbeiter betreiben?

Nicole: Sicher. Ja. Das Quanten-Steampunk-Labor befindet sich im bereits erwähnten QuICS, dem Joint Center for Quantum Information and Computer Science. Ich habe eine Reihe von Doktoranden und Postdocs, und wir erforschen diese Schnittmenge von Quanteninformation und Quanten-Thermodynamik. Wir gehen das Thema aus verschiedenen Blickwinkeln an. Ein Teil unserer Arbeit ist sehr abstrakt und theoretisch, wir beweisen Theoreme und denken über Gedankenexperimente nach. Aber wir arbeiten auch von der abstrakten Theorie bis hin zu experimentellen Kooperationen. So haben ein Postdoc, einige Mitarbeiter und ich vor kurzem in Zusammenarbeit mit dem Labor von Rainer Blatt in Innsbruck (Österreich) eine Arbeit veröffentlicht, in der sie eine Reihe von gefangenen Ionen als Qubits eingesetzt haben. Sie führten ein bestimmtes Protokoll durch, das wir vorgeschlagen hatten, so dass sie sehen konnten, wie eine kleine Teilmenge der Qubits in einen besonderen thermischen Quantenzustand versetzt wurde, den wir vorhergesagt hatten.

Yuval: Sehr gut. Wie kann man mit Ihnen in Kontakt treten, um mehr über Ihre Arbeit und auch über das Buch zu erfahren?

Nicole: Sie können Nicole Quantum Steampunk googeln, dann sollten Sie die Website meiner Gruppe finden. Auf der Website der Gruppe gibt es auch eine Seite über das Buch, und dort finden Sie einen Link zu meinem Twitter-Handle. Das ist @nicoleyh11, und dort steht auch meine E-Mail-Adresse.

Yuval: Sehr gut. Nun, Nicole, vielen Dank, dass Sie heute bei mir sind.

Nicole: Vielen Dank, dass ich bei diesem Podcast dabei sein darf.