Podcast mit Chris Ferrie, erfolgreicher Autor und Professor

Mein heutiger Gast ist Chris Ferrie, ein außerordentlicher Professor für Physik an der University of Technology in Sydney und ein erfolgreicher Autor von Büchern, die Kindern wissenschaftliche Konzepte vermitteln. Chris und ich sprachen darüber, ob sich Qubits in Australien in die andere Richtung drehen, über seine Lehr- und Forschungsinteressen, das Quanten-Ökosystem in Australien und mehr

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

Chris: Danke, dass ich dabei sein durfte.

Yuval: Wer sind Sie, und was machen Sie?

Chris: Mein Name ist Chris Ferrie. Ich bin außerordentlicher Professor am Zentrum für Quantensoftware und Information an der University of Technology Sydney in Australien. Wir kennen es einfach als UTS. Und ich forsche in einigen Bereichen des Quantencomputings. Außerdem bin ich wahrscheinlich eher als Kinderbuchautor bekannt. Ich habe also einige Bücher geschrieben, darunter auch Quantenphysik für Babys.

Yuval: Und Sie haben Dutzende von Büchern geschrieben, richtig? Über viele Aspekte der Physik, denke ich.

Chris: Ja. Auf Englisch habe ich, ich glaube, wir sind jetzt bei 60 Büchern angelangt. Und jetzt, wo meine eigenen Kinder älter werden, bin ich nicht mehr so sehr daran interessiert, Babybücher zu schreiben, also habe ich angefangen, auch einige Sachbücher für Erwachsene zu schreiben.

Yuval: Wow. Sie haben also Babys unterrichtet, und Sie unterrichten Studenten und Hochschulstudenten. Wie sieht es dazwischen aus? Ich meine, haben Sie Erfahrung oder Interesse daran, Gymnasiasten oder Grundschüler zu unterrichten? Wann ist ein guter Zeitpunkt, um mit Quantum anzufangen?

Chris: Das ist eine gute Frage. Ich meine, es gibt da tatsächlich eine Art langweilige technische Barriere. Babys zu unterrichten ist in gewisser Weise einfach, denn man muss nur den Kontakt zu den Eltern herstellen. Und sie sind es, die Bücher kaufen und in Bibliotheken und bei Veranstaltungen auftauchen. Als Professor hat man sozusagen die Freiheit zu tun, was man will. Man kann also Leute unterrichten, die an der Universität auftauchen. Aber im formalen öffentlichen Bildungssystem gibt es einen Lehrplan. Und wenn in diesem Lehrplan das Quantencomputing nicht enthalten ist, ist es sehr schwierig, überhaupt einen Fuß in die Tür zu bekommen. Ich würde also sagen, ja, wir sollten Gymnasiasten und sicherlich auch Grundschülern die grundlegenden Aspekte dieser Technologie beibringen, die in ihrem Leben in der Zukunft wichtig sein könnte, oder vielleicht wollen sie sich am Aufbau dieser Technologie beteiligen. Aber das steht nicht auf dem Lehrplan, und so wird es sehr schwierig, dieses Publikum anzusprechen.

Yuval: Und was würden Sie unterrichten? Wollen Sie davon ausgehen, dass sie Trigonometrie kennen? Würden Sie ihnen die Matrixmultiplikation von Anfang an beibringen? Wie würden Sie vorgehen?

Chris: Nun, ich meine, ja, das ist eine gute Frage, denke ich. Wie würde ich anfangen? Ich denke nicht, dass ich mit Mathematik für ein jüngeres Publikum beginnen würde. Ich meine, es ist in etwa so, wie wenn wir Schülern, jungen Schülern, Fakten über die Welt im Universum beibringen, für die es eigentlich keine direkten Beweise gibt. Nehmen wir an, dass alles auf der Welt aus Atomen besteht. Jeder weiß das, niemand stellt das in Frage. Aber wissen Sie, was die Beweise dafür sind? Es ist also nicht so, dass wir ihnen erst die Quantenfeldtheorie beibringen müssen, bevor sie überzeugt sind, dass Atome existieren. Und genauso müssen wir herausfinden, was die wichtigen Dinge sind, die wir den Menschen über die Quantentechnologie erzählen müssen, damit sie so wird wie die Atome. Das ist einfach etwas, bei dem sich alle einig sind, dass es wahr ist, und sie können mit den nächsten Schritten weitermachen.

Ich würde also damit beginnen, dass es eine andere Art des Rechnens gibt. Und das wird uns helfen, einige neue Probleme zu lösen, zum Beispiel bei der Gestaltung von Materialien, die uns gefallen, die aber völlig unnatürlich sind und uns umgeben. Ich bin in diesem Raum im Grunde von nichts Natürlichem umgeben. Und neue Medikamente, zu denen ich Dinge wie Impfstoffe zähle, die meiner Meinung nach heute absolut relevant sind. Ich denke also, dass es einfach ist, Aspekte des Quantencomputings mit unserer Alltagswelt zu verbinden. Und dann denke ich, dass wir in der High School in ähnlicher Weise, wie wir Mathematik in die Physik einführen, auch die Konzepte einführen würden. Aber ich denke, ich würde einfach mit Schaltkreisen beginnen, nur mit Quantenschaltkreisen. Einfach sagen: "Hier ist ein Ding, das man mit Gattern versehen kann und das dann etwas macht, lasst uns damit spielen und sehen, was passiert.

Yuval: Was ist Ihrer Meinung nach das am schwierigsten zu verstehende Konzept für die Menschen? Ist es die Superposition? Ist es die Verschränkung? Was ist es, was an der Quantenphysik so unheimlich ist?

Chris: Ich glaube, die Meta-Schwierigkeit besteht darin, dass Experten akzeptieren, dass wir den Leuten nicht erst etwas über Superposition und Verschränkung beibringen müssen, so wie wir den Leuten auch nicht erst etwas über das Tunneln in Transistoren beibringen müssen, bevor sie verstehen, wie man eine Web-App programmiert. Oder? Wenn die Menschen also in Zukunft mit der Quantentechnologie interagieren, werden sie nicht wissen, was Superposition und Verschränkung sind. Sie werden über eine höhere Sprache verfügen, die mit den Standardschnittstellen verbunden ist, die wir haben: Tastaturen, Monitore und Mäuse. Und es wird einige Abstraktionen geben, die es nicht erforderlich machen, dass die Menschen diese kleinen physikalischen Details verstehen.

Yuval: Ausgezeichnet. Abgesehen von Ihrer Ausbildung sind Sie auch ein Forscher. Können Sie mir ein wenig darüber erzählen, was Sie erforschen? Was versuchen Sie zu finden? Woran arbeiten Ihre Studenten, mehr oder weniger,?

Chris: Sicher. Ja. Ich bin also ein Forscher. Ich habe eine große Forschungsgruppe, das heißt, ich bin eher ein Manager. Leider habe ich nicht viel Zeit für meine eigene Forschung, für meine persönlichen Interessen und für die Einhaltung der Förderungsmeilensteine, die man erreichen muss, und das sind ein paar Dinge. Vielleicht kann ich es Ihnen im Zusammenhang mit dem Quanten-Software-Stack erklären. Oder? Wir arbeiten also an einer Art von Low-Level-Hardwareanweisungen, auch bekannt als Quantensteuerungen. Wir versuchen, die Low-Level-Befehle zu entwerfen, die man an ein Stück Quantentechnologie, ein Quantengerät - sei es ein natürliches Atom oder ein künstliches wie ein supraleitender Schaltkreis - sendet, damit es tut, was man will.

Ein Teil davon ist, dass man, wenn man ein Gerät vor sich hat, nicht weiß, wie es zu beschreiben ist. Das erste, was man tun muss, ist, es zu charakterisieren. Und das geschieht wiederum durch das Senden von Anweisungen und das Betrachten der Antwort. Wir beschäftigen uns also sowohl mit der Charakterisierung als auch mit der Steuerung von Quantengeräten. Nicht mit realen Geräten, sondern auf abstrakter Ebene und unter Verwendung der Theorie der Quantenphysik. Einige unserer Protokolle und Ergebnisse werden schließlich im Labor verwendet, aber wir versuchen, sie irgendwie allgemein zu halten. Und dann arbeiten wir an hybriden Quantenalgorithmen. Vielleicht sind die Zuhörer mit Quantenoptimierung, Dingen wie QAOA und VQE und vielen anderen Abkürzungen mit drei Buchstaben vertraut.

Wir versuchen, die Auswirkungen des Rauschens zu untersuchen, wenn wir eine sehr detaillierte Simulation dieser Algorithmen durchführen. Nehmen wir also ein reales Problem, z. B. ein Fahrzeugrouting-Problem oder ein Travelling-Salesman-Problem, und zerlegen es in alle Gatter, die auf einem Quantencomputer ausgeführt werden müssen, fügen dann aber Rauschen hinzu und sehen, was passiert. In diesem Sinne ist es sehr praxisnah und praktisch. Und dann arbeiten wir an der Spitze des Stapels an maschinellem Quantenlernen und insbesondere an Quantenalgorithmen zum Trainieren von neuronalen Quantennetzen und anderen ähnlichen Primitiven. Es ist also nicht so, dass man sich heute vorstellt, klassische Computer zu benutzen, um neuronale Quantennetze zu trainieren. Und das ist mit einer Menge Probleme verbunden. Wir entwickeln also Quantenalgorithmen, mit denen diese Netze trainiert werden können. Und das erfordert natürlich einen Quantencomputer im großen Maßstab. Das ist also eher eine Art "Blue Sky"-Zeug. Wir decken also einen großen Teil des Software-Stacks ab.

Yuval: Wenn Sie über Impulsformung und die Low-Level-Sachen sprechen, ist das ein vorübergehendes Problem? Das heißt, erwarten Sie, dass sich die Leute in drei Jahren immer noch mit Impulsformen befassen und damit, wie man Atome dazu bringt, das zu tun, was man von ihnen will?

Chris: Ich denke schon. Ich denke, vieles davon wird in die akademische Forschung und in die Labors wandern. Diejenigen, die Prototypen von Geräten haben, die neue Technologien für das Quantencomputing entwickeln, werden ständig neue Kontrollsysteme für diese Geräte entwickeln müssen. Ich denke also, dass dies immer der Fall sein wird. Ich habe den Verdacht, dass man in der Industrie wahrscheinlich kein System haben möchte, für das ein Doktorand oder ein ganzes Team von promovierten Quantenphysikern ständig von Hand Impulse entwerfen muss. Ich denke also, dass es ein stabiles System oder ein aktiv stabilisiertes System geben wird, das auf automatisierte Weise funktioniert.

Yuval: Eines der Dinge, über die wir bei classic nachdenken, ist die Skalierung von Systemen von fünf Qubits auf 50 Qubits bis hin zu 500 Qubits und nicht nur die Impulse, sondern auch die Algorithmen. Wie kann man einen Algorithmus entwickeln, der effizient ist und 500 Qubits oder eine andere große Zahl effizient nutzt, wenn es schwierig wird, dies von Hand zu tun. Wo sehen Sie die Probleme bei der Skalierung? Ich meine, Spielzeugschaltungen sind ja ganz nett, aber letztendlich brauchen wir größere Computer und größere Schaltungen, um große Probleme zu lösen. Was sind Ihrer Meinung nach die Hauptprobleme auf dem Weg dorthin?

Chris: Nun, das Problem ist natürlich die exponentielle Skalierung in der Quantentechnologie. Richtig? In dem typischen Modell, an das wir denken, gehen wir davon aus, dass wir einzelne Qubits kontrollieren können, was wir auch tun müssen, und dann können wir ein paar Wechselwirkungen zwischen Qubits kontrollieren. Und dann müssen wir Algorithmen auf dieser Art von eingeschränkter Konnektivität oder Topologie aufbauen. Und in gewisser Weise muss das auch so sein, denn man kann kein Kontrollsystem entwerfen, das eine einzige Wechselwirkung zwischen 500 Qubits erzeugt, nicht auf die Art und Weise, wie wir es jetzt tun, d. h. wir entwerfen sie mit herkömmlichen Computern. Mit 500 Qubits kann man es also nicht simulieren. Das stimmt. Ich glaube, das Problem mit der Kontrolle ist, dass wir in dieser klassischen Denkweise verharren. Richtig? Wir müssen... Wir haben das Bedürfnis, die Lösung zu sehen. Und das bedeutet, dass man das Modell simulieren muss, und das geht nicht mehr, wenn man eine bestimmte Anzahl von Qubits erreicht hat.

Yuval: Wie stark sind Sie oder Ihre Kollegen in die Industrie involviert? Ich meine, erhalten Sie 17 Anrufe pro Tag: "Hey, helfen Sie uns, diesen Impuls zu gestalten." Oder: "Wir wollen diesen neuen Quantencomputer bauen oder eine bessere VQE machen." Oder sind Sie einfach nur glücklich, im Forschungslabor zu arbeiten?

Chris: Ich meine, es ist ein bisschen schwierig in einigen australischen... Das Problem in Australien ist, dass jede Universität ihre eigene IP-Politik für ihre Mitarbeiter hat. So wird es sehr schwierig, zwischen Industrie und Wissenschaft zu vermitteln. Vor allem heutzutage, wo die australischen Universitäten mit der Pandemie und dem Mangel an internationalen Studenten zu kämpfen haben, und das bedeutet fehlende Einnahmen. Daher sind sie leider bestrebt, ihr geistiges Eigentum noch aggressiver zu schützen. Für viele Forscher ist das einfach kein Thema mehr. Sie haben einfach nicht die Zeit, die Geduld oder die Energie, sich mit den Anwälten ihrer eigenen Universität und denen der oberen Etagen herumzuschlagen.

Also, ja, es gibt nicht viel Interaktion. Die meisten Kontakte, die ich sehe, sind zwischen ehemaligen Kollegen. Richtig? Wir haben also viele Kollegen, die beschlossen haben, die akademische Welt zu verlassen, vielleicht sogar nur vorübergehend, um in die Industrie zu gehen, und die ihre früheren akademischen Verbindungen beibehalten. In diesen Fällen gibt es viele informelle Gespräche, aber nicht viele formelle Dinge. In Australien wird nicht viel Auftragsforschung zwischen der Industrie und der Wissenschaft betrieben.

Yuval: Ich glaube, wir haben uns beide gefragt, ob sich die Qubits in Australien andersherum drehen. Aber abgesehen davon, wie unterscheidet sich das australische Ökosystem Ihrer Meinung nach von anderen Teilen der Welt? Sei es die Art und Weise, wie die Regierung mit den Unternehmen interagiert, sei es das Gleichgewicht zwischen Unternehmen und Akademikern, oder gibt es irgendetwas, das Sie uns mitteilen könnten, was Ihrer Meinung nach einzigartig am australischen Quanten-Ökosystem ist?

Chris: Ich glaube, die Pandemie hat es schwer gemacht, weil Australien so isoliert ist. Ich meine, physisch ist es natürlich isoliert. Aber das bedeutet, dass, obwohl wir das Internet haben und... Ich meine, wir beweisen es gerade, dass die Welt ziemlich klein ist. Aber diese Gespräche finden nicht oft statt. Richtig? Man neigt dazu, mit Menschen zu interagieren, die einem physisch am nächsten sind. Richtig? Und ich glaube, dass wir in Australien den Kontakt zum globalen Ökosystem ein wenig verloren haben, weil wir dazu neigen, mit den Menschen vor Ort zu interagieren und nicht zu reisen, um uns nicht zu lokalisieren.

Das australische Ökosystem ist also viel kleiner, als ich von der anderen Seite des Ozeans aus sehen kann. Und es wächst sicherlich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit. Und ich denke, das liegt zum Teil daran, dass viele Regierungen weltweit nationale oder multinationale Initiativen zur Quantentechnologie haben, die eine große Menge an Finanzierung beinhalten. In Australien haben wir so etwas nicht. Es gibt weder eine globale noch eine nationale Quanteninitiative. Obwohl es immer wieder Gespräche darüber gibt, eine zu starten. Ich denke also... Ich meine, das ist nicht überraschend, wenn man in Australien ist, es neigt dazu, ein wenig hinterher zu hinken, was nicht schlecht ist. Wir können sehen, was funktioniert und was nicht, und uns dann die Dinge herauspicken, die funktionieren. Aber wie ich schon sagte, gibt es in Australien nur eine Handvoll Start-ups, und natürlich sind multinationale Unternehmen in Australien ein wenig präsent, aber nicht in dem Maße wie im Rest der Welt.

Yuval: Da wir uns dem Ende unseres Gesprächs nähern, lassen Sie uns annehmen, dass Sie für ein paar Jahre Herr des Quantenuniversums sind und die Aktivitäten von Unternehmen wie Classiq und anderen kommerziellen Unternehmen in diesem Bereich, Hardware, Software und so weiter, kontrollieren. Woran sollten wir Ihrer Meinung nach in den zwei Jahren, in denen Sie Herr des Quantenuniversums sind, arbeiten?

Chris: Ja, ich möchte, dass du einen Quantencomputer baust, wenn es dir nichts ausmacht. Ich denke, ich meine, mein Standpunkt ist, dass es ein Problem zu geben scheint, dass das Ökosystem oder die Leute, die versuchen, das Ökosystem mit Geld zu betreten, und viele der Leute innerhalb des Ökosystems mit Egos zu denken scheinen, dass Quantentechnologie, einschließlich der Aufgabe, einen Quantencomputer zu bauen, wie andere Silicon-Valley-Technologien ist, die... Jemand kann in seiner Garage eine gute Idee haben, und daraus wird ein Einhorn-Unternehmen, das eine Handvoll Leute wirklich reich macht. Aber ich denke, die Realität ist, dass die Aufgabe, einen Quantencomputer zu bauen, wahrscheinlich die schwierigste wissenschaftliche und technische Herausforderung ist, der sich die Menschheit je gestellt hat. Sie ist schwieriger als die Landung auf dem Mond. Richtig? Es wird schwieriger sein als, nun ja, wir sind bereits auf dem Mars gelandet, aber einen Menschen auf dem Mars zu landen, wird meiner Meinung nach einfacher sein als einen Quantencomputer zu bauen.

Ich denke also, wir brauchen eine besser koordinierte Anstrengung, nicht einen Haufen... Nun, vor 10, 15 Jahren war es ein Haufen einzelner akademischer Gruppen, vielleicht eine Handvoll Leute, wo die meiste Arbeit von Doktoranden gemacht wurde, die nicht viel wussten. Und jetzt wird das Ganze von einer Handvoll Unternehmen mit etwas mehr Geld und ein paar mehr Leuten durchgeführt. So wird es nicht weitergehen. Ich meine, es wird eine koordinierte Anstrengung einer großen Anzahl von Menschen mit einer großen Menge an Finanzmitteln erfordern. Wenn ich also der Herr des Quantenuniversums wäre, dann würde ich sie alle zusammenbringen und versuchen, es zu schaffen.

Yuval: Fantastisch. Also, Chris, wie kann man mit Ihnen in Kontakt treten, um mehr über Ihre Arbeit zu erfahren?

Chris: Ich denke, der beste Weg wäre wohl Twitter, nehme ich an. Es ist also @csferrie. Oder, ja, ich schätze, Sie können sich meine Website ansehen oder mich googeln, und dort finden Sie einige Kontaktinformationen.

Yuval: Ausgezeichnet. Nun, vielen Dank, dass Sie heute bei mir sind.

Chris: Danke für das Gespräch.