Podcast mit Steve Brierley - Riverlane

Mein heutiger Gast ist Steve Brierley, CEO und Gründer von Riverlane. Steve und ich sprechen über Quantenfehlerkorrektur - warum sie so schwierig ist, wie bald wir sie erwarten können und vieles mehr.

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Yuval: Hallo, Steve, und danke, dass Sie heute bei mir sind.

Steve: Hallo, schön, Sie kennenzulernen.

Yuval: Wer sind Sie und was machen Sie?

Steve: Hallo. Ja, ich bin Steve Brierley. Ich bin der CEO und Gründer von Riverlane, einem Unternehmen, das ein Betriebssystem für Quantencomputer entwickelt.

Yuval: Was bedeutet es also, ein Betriebssystem für Quantencomputer zu entwickeln?

Steve: Gute Frage. Ich denke, wenn man an Betriebssysteme denkt, denken die meisten Leute an einen Laptop oder einen PC, und in Wirklichkeit geht es darum, die Komplexität für den Benutzer zu verwalten. Auf Ihrem Computer ziehen Sie also eine Datei und legen sie ab, das ist wirklich einfach, aber darunter laufen eine ganze Reihe komplexer Dinge ab. Das Gleiche gilt für die Quanteninformatik. Der Bau eines nützlichen Quantencomputers ist sehr komplex. Es muss eine Menge passieren. Und das Komplexeste am Quantencomputer ist die Quantenfehlerkorrektur. Wenn ich also sage, wir bauen das Betriebssystem, dann meine ich damit, dass wir die Fehlerkorrektur auf Quantencomputern lösen. Das ist superkomplex, und keiner der Nutzer wird das je zu Gesicht bekommen. Wir werden diese Komplexität für den Benutzer verwalten.

Yuval: Ihre Kunden sind also diejenigen, die Computer bauen?

Steve: Wir arbeiten also mit Unternehmen zusammen, die Computer bauen, denn wir brauchen natürlich auch Qubits, damit das alles funktioniert. Wir helfen ihnen, die Basiskomponenten, die einzelnen Qubits, zu nehmen und sie mittels Fehlerkorrektur in Computer zu verwandeln.

Yuval: Wenn man die populäre Presse liest, heißt es, wir leben im NISQ-Zeitalter. Man könnte also glauben, dass es heutzutage keine Fehlerkorrektur mehr gibt. Wie funktioniert sie also? Gibt es eine Fehlerkorrektur? Gibt es nur eine teilweise Fehlerkorrektur? Wohin geht die Reise?

Steve: Die große Herausforderung besteht also darin, eine Fehlerkorrektur zu implementieren. Momentan haben die meisten Systeme keine oder nur eine sehr geringe Fehlerkorrektur eingebaut. Sie können also nur begrenzt Berechnungen durchführen, bevor das Rauschen die Kontrolle über das System übernimmt. Einige der besten Quantencomputer der Welt, z. B. bei Google oder der in China in Hefei entwickelte, können etwa 100, vielleicht sogar bis zu 400 Operationen durchführen, bevor es zu Fehlern oder Ausfällen kommt. Das ist erstaunlich. Diese Fähigkeit, einzelne Qubits zu kontrollieren, ist erstaunlich und ein wirklich großer Durchbruch, aber die Anzahl der Operationen, die wir benötigen, um nützliche Berechnungen durchzuführen, ist viel größer. Sie liegt in der Größenordnung von Milliarden von Operationen. Diese Lücke zwischen den heutigen Computern, die Hunderte von Operationen ausführen können, und den Milliarden von Operationen, die wir brauchen, wird durch die Fehlerkorrektur überbrückt. Und genau daran arbeiten wir.

Yuval: Läuft Ihr Code also irgendwo auf einem Kundencomputer oder befindet er sich im Moment hauptsächlich in der Entwicklung?

Steve: Wir machen eine Menge Entwicklungsarbeit und haben das große Privileg, mit vielen verschiedenen Quantenunternehmen und Forschungslabors zusammenzuarbeiten, um Teile unseres Systems zu testen. Wir sind noch nicht so weit, dass wir ein komplettes System in Betrieb nehmen können, aber wir können Teile davon testen, wir können also Komponenten testen. Ich halte das für sehr wichtig, denn schließlich ist ein Quantencomputer im großen Maßstab ein äußerst komplexes System, das buchstäblich Milliarden von Komponenten und Operationen umfasst. Und am Ende erhält man ein paar Ergebnisse, ein paar Zahlen. Und wenn es nicht funktioniert hat, dann ist es wirklich schwer herauszufinden, was schief gelaufen ist.

Und das ist beim Quantencomputing besonders akut. Das ist ein Problem, das bei jedem großen System auftritt, aber beim Quantencomputing kann man die Berechnung nicht anhalten und sagen: "Oh, warte mal kurz. Was ist denn hier passiert?" Man braucht also Mittel und Wege, um ein System Komponente für Komponente im Maßstab aufzubauen. Deshalb bezeichnen wir uns als Quanten-Engineering-Unternehmen, weil wir diese Systemtechniken im Quantencomputing anwenden, d. h. wir testen gerade Komponenten, weil wir auf diese Weise ein System in großem Maßstab aufbauen können.

Yuval: Und wird die Fehlerkorrektur durchgeführt, indem einige Qubits, die verrauscht sein könnten, für die Fehlerkorrektur verwendet werden, oder geschieht das auf eine andere Weise?

Steve: Ja, das ist richtig. Danke für die Frage. Die Quantenfehlerkorrektur hat also viele der gleichen Eigenschaften wie die klassische Fehlerkorrektur, die herkömmliche Fehlerkorrektur, d. h. wir verteilen die Informationen auf viele Quantenbits, um sie vor Rauschen in einem einzelnen Bit zu schützen. Das ist also genau wie die klassische Fehlerkorrektur. Der einfachste Fehlerkorrekturcode ist also, dass man statt einer Null oder einer Eins 0, 0, 0 oder 1, 1, 1 sendet, und wenn dann eines der Bits umkippt, zum Beispiel 0, 0, 1 empfangen wird, kann man raten, na ja, ich nehme an, du wolltest 0, 0, 0 senden. Das ist also ein einfacher Code. Er wird Wiederholungskode genannt. Quantencodes lehnen sich stark an die klassische Codierungstheorie an, aber es gibt einige wirklich interessante Wendungen. Ich denke, die wichtigste ist, dass die Quantenfehlerkorrektur während der Berechnung stattfindet.

Um das noch einmal zu verdeutlichen, weil ich es für wichtig halte, werden wir zwischen jeder Operation des Quantencomputers diesen Fehlerkorrekturzyklus durchführen. Wir werden also einige Informationen aus den Qubits auslesen, die uns etwas darüber sagen, wo die Fehler aufgetreten sind. Wir werden ein Dekodierungsproblem lösen. Das ist ein bisschen wie ein Sudoku-Rätsel oder etwas Ähnliches. Wir werden also dieses Dekodierrätsel lösen und dann darauf reagieren. Wir werden also ändern, was in der Zukunft der Berechnung, der Berechnungsschritte als Ergebnis dieses Dekodierungsproblems geschieht. Dieser Fehlerkorrekturzyklus, das Auslesen, Dekodieren, Korrigieren, das ist die Taktrate eines Quantencomputers.

Das ist also die interne Uhr des Quantencomputers, weil man das zwischen jeder Quantenoperation machen muss, zwischen jeder Addition von zwei Bits oder jeder grundlegenden Operation, die im Quantencomputer stattfindet, die diesen Zyklus durchläuft. Das hat zur Folge, dass dieses Dekodierungsproblem sehr schnell ablaufen muss und man eine große Anzahl von Dekodierungsproblemen lösen muss. Letztendlich sind es 10 bis 12, 10 bis 15 Dekodierungsprobleme für jede Berechnung, die man durchführt. Das ist also eine riesige Menge an Datenverarbeitung, und das ist die große technische Herausforderung, die wir bei Riverlane angehen.

Yuval: Ist die Fehlerkorrektur unabhängig von der Modalität der Qubits dieselbe? Supraleitende und gefangene Ionen und so weiter, würden sie alle denselben Fehlerkorrekturcode verwenden?

Steve: Ich denke, die Antwort ist ja und nein. Wir müssen also unbedingt die Art der Fehlerkorrektur an den zugrunde liegenden Qubit-Typ anpassen. Und ich würde sogar noch weiter gehen als nur supraleitend. Es gibt zum Beispiel verschiedene Möglichkeiten, supraleitende Systeme oder verschiedene Arten von supraleitenden Qubits zu bauen, und sogar verschiedene Architekten, also Qubits, die in verschiedenen Geometrien miteinander verbunden sind. Das muss man in seinem Fehlervermeidungscode berücksichtigen, er ist also sehr auf die zugrunde liegende Architektur spezialisiert. Allerdings sind viele der Mechanismen und Probleme bei den verschiedenen Qubit-Typen dieselben. Beim Dekodierungsproblem zum Beispiel lösen die meisten Dekodierer im Wesentlichen ein bestimmtes Graphenproblem, ein Matching-Problem. Das ist also der Kern der Gemeinsamkeiten zwischen den verschiedenen Qubit-Typen.

Yuval: Ändern sich die Eigenschaften des Qubits in Bezug auf die Fehler im Laufe des Tages oder jede Sekunde, oder ist es etwas, das man einmal im Monat misst und dann bleibt es so ziemlich gleich?

Steve: Ja, auch eine gute Frage. Ja, sie ändern sich mit der Zeit. Es gibt also eine Drift im System, und das müssen wir auch berücksichtigen. Ich denke, mit der Zeit stabilisiert sich das Ganze, und es gibt mehrere Prozesse, die auf verschiedenen Ebenen im Stack laufen, aber die Temperaturänderungen oder die verschiedenen physikalischen Effekte verursachen Drifts im System. Und auch das hängt von der jeweiligen physikalischen Architektur ab, die verwendet wird.

Yuval: Bevor die Fehlerkorrektur implementiert wird, stellen Sie also Daten zur Verfügung, mit denen man zum Beispiel die Zuverlässigkeit von Qubits messen kann, so dass eine Anwendung vielleicht sagen könnte: "Oh, Qubit zwei ist viel lauter als Qubit 12 und deshalb sollte ich die hektischeren Operationen Qubit 12 statt zwei zuweisen", oder etwas in dieser Art?

Steve: Das tun wir nicht. Die Fähigkeit, Systeme zu messen und zu charakterisieren, ist sicherlich etwas, das sehr wichtig ist. Wenn man ein Spielzeugproblem vorführen will, dann ist es eine großartige Sache, zu versuchen, das Beste aus den Qubits herauszuholen, indem man versucht, einen Vorteil aus dem zu ziehen, was passiert. Wir konzentrieren uns wirklich darauf, so schnell wie möglich Quantencomputer in großem Maßstab zu entwickeln. Daher konzentrieren wir uns bei unseren technischen Bemühungen auf die Architektur und den Aufbau der Lösungen, die wir für die Implementierung der Fehlerkorrektur in großem Maßstab benötigen. Dieses Dekodierungsproblem wurde bisher noch nie so schnell gelöst. Es ist ein ganz klassisches Problem. Es ist ein klassischer Algorithmus, der läuft, aber niemand war bisher in der Lage, ihn schnell genug zu lösen. Der Industrie war also schon lange klar, dass dies ein Problem sein würde. Und es ist wirklich fantastisch, dass wir in der Lage sind, dieses Problem zu lösen.

Yuval: Verzeihen Sie mir meine Unwissenheit, aber was verkaufen Sie eigentlich? Verkaufen Sie Hardware-Designs? Verkaufen Sie Software-Algorithmen? Verkaufen Sie Beratungsdienstleistungen? Womit gehen Sie zu Ihren Kunden?

Steve: Wir arbeiten also mit Hardwarefirmen zusammen und ermöglichen ihnen, die Fehlerkorrektur zu lösen. Es ist also im Wesentlichen das System, das auf den Qubits sitzt oder sehr nahe an den Qubits ist, aber es ist mit dem Kontrollsystem verbunden und führt die Fehlerkorrektur darüber aus.

Yuval: Sie haben die Entwicklung vieler Quantencomputer hautnah miterlebt. Wie nah sind wir Ihrer Meinung nach an einem fehlerbereinigten Computer?

Steve: Wir haben eine sehr privilegierte Position, weil wir mit vielen verschiedenen Qubit-Typen arbeiten, mit verschiedenen Gruppen, die von großen akademischen Labors bis zu kommerziellen Unternehmen reichen. Ich denke, der Zeitplan ist eher eine technische Angelegenheit als eine abstrakte Sache, auf die wir nur warten. Die wichtigsten Dinge, die passieren müssen, sind der Aufbau der klassischen Steuerelektronik und der Dekodierfähigkeit, die groß und schnell genug ist, um mit den Qubits Schritt zu halten, sowie die Lösung einiger materialwissenschaftlicher Probleme in... Nun, bestimmte verschiedene Qubit-Typen haben unterschiedliche physikalische und technische Probleme. Aus meiner Sicht geht es also weniger um Zeit als vielmehr um eine Liste von Dingen, die erledigt werden müssen. Und ich denke, was im Moment passiert, ist, dass sich dies aufgrund der erhöhten Investitionen sehr schnell beschleunigt. Ich bin also sehr optimistisch, dass wir in den nächsten vier bis fünf Jahren die ersten Fehlerkorrektursysteme bekommen können.

Yuval: Machen Sie sich Sorgen, dass es einen Quantenwinter geben wird, dass die Erwartungen die Realität so sehr übersteigen werden, dass viele Unternehmen von Quantencomputern enttäuscht sein werden und das Projekt für mehrere Jahre auf Eis legen?

Steve: Ich denke, es gibt einige Aktivitäten in diesem Bereich, die vielleicht aussterben werden, aber das ist nicht unbedingt etwas Schlechtes. Der Bau eines Quantencomputers ist ein wirklich schwieriges Problem. Es ist kein Spielzeugsystem, das wir bauen, sondern so etwas wie das Kontrollzentrum der NASA, es geht um diese Größenordnung. Die Unternehmen, die sich mit dieser zentralen Herausforderung befassen, sind also durchaus bereit, dies zu finanzieren. Der Grund dafür ist, dass der Wert dessen, was am Ende dabei herauskommt, so enorm ist. Quantencomputer sind nicht nur ein bisschen schneller als Ihre CPU, sie lösen Probleme, die sonst nie gelöst werden könnten. Es gibt also einen exponentiellen Vorteil bei der Berechnung.

Das klingt ein bisschen mathematisch, aber was ich damit sagen will, ist, dass es wichtige Probleme wie die Simulation der Quantenphysik gibt, die klassische Computer niemals lösen können. Und Quantencomputer werden uns zum ersten Mal in die Lage versetzen, molekulare Systeme, Proteine, Katalysematerialien zu simulieren, und das wird eine ganze Reihe von Branchen völlig verändern. Die Quantenrevolution wird all jene Branchen, die bei der ersten digitalen Revolution auf der Strecke geblieben sind, von der Entdeckungsphase, in der sie sich befinden, in eine Designphase bringen, in der sie Produkte mithilfe von Simulationen entwerfen können, so wie es in der Luft- und Raumfahrtindustrie geschieht. Ich glaube also, dass die Quantenphysik aufgrund ihres enormen Potenzials finanziert wird. Ich bin nicht so besorgt über den Quantenwinter. Ich denke, dass es im Moment eine Menge Aufregung gibt. Das ist eigentlich sehr hilfreich. Vielleicht ist es ein bisschen übertrieben, aber das zieht gute Leute an, die an schwierigen Problemen arbeiten, und das wird zu etwas sehr Realem führen.

Yuval: Wenn Sie also ein Meister des Quantenuniversums wären und kontrollieren könnten, was andere Unternehmen tun, gibt es dann etwas, von dem Sie möchten, dass sie es tun, außer einfach schneller zu arbeiten?

Steve: Ich denke, wir konzentrieren uns auf die zentralen Herausforderungen. Wir konzentrieren uns darauf, zu fehlerkorrigierten Systemen zu gelangen, denn erst die Quantenfehlerkorrektur macht Quantencomputer nützlich. Das ist wirklich wichtig. Je mehr wir zum Beispiel über das Rauschen in Quantensystemen oder über die Steuerung von Qubits und deren Skalierung verstehen, desto besser können wir auch Dinge wie das vernetzte Quantencomputing als Weg zur Skalierung verstehen. Ich glaube nicht, dass ich ein Meister sein muss, denn das geschieht bereits. Ich denke, wenn man sich jeden Qubit-Typ anschaut, hat jeder Qubit-Typ eine große wissenschaftliche Herausforderung. Es gibt etwas wirklich Großes, das gelöst werden muss, damit es der Transistor des Quantencomputers werden kann. Es spielt keine Rolle, ob man supraleitend ist, die Ionenfallenphysik sagt, dass es in jedem dieser Bits etwas gibt, das eine große, haarige Herausforderung darstellt. Und ich denke, das Großartige ist, dass es für alle diese Herausforderungen Unternehmen gibt, die brillante Ideen haben, wie man sie lösen kann, und das geschieht quer durch die verschiedenen physikalischen Ansätze.

Yuval: Da wir uns dem Ende unseres Gesprächs nähern, denke ich, dass du seit 15 Jahren daran arbeitest. Ich nehme also an, dass es Ihnen gefällt, aber warum dauert es so lange? Ist es einfach ein furchtbar schwieriges Problem? War die Finanzierung nicht früh genug verfügbar? Nicht viele Probleme brauchen 15 Jahre, um gelöst zu werden.

Steve: Ich beschäftige mich seit 15 Jahren mit Quantencomputern. Ich habe angefangen, an Quantenalgorithmen zu arbeiten. Es geht also darum, was man mit einem Quantencomputer machen würde, wenn man ihn einmal gebaut hat. Und das ist sehr theoretisch. Ich habe in der akademischen Welt an der Universität Bristol und dann hier in Cambridge gearbeitet, und eigentlich habe ich Riverlane aufgrund eines Moments auf einer Konferenz gegründet. Ich hielt einen Vortrag über einen kürzlich entwickelten Algorithmus, und auf dieser Konferenz gab es eine Umfrage, wer glaubte, dass es in den nächsten 5, 10, 15 Jahren einen Quantencomputer geben würde, und so weiter, und etwa ein Drittel des Publikums, also all die Großen und Guten der Quantenalgorithmen und ziemlich viele Physiker, ein Drittel des Publikums stimmte dafür, dass es niemals einen nützlichen Quantencomputer geben würde.

Ich war wirklich schockiert. Und ich schätze, zum Teil war es auch der Pessimismus - es ist ein akademischer Raum, die Leute sind ziemlich pessimistisch - aber vielleicht arbeitete ich an der Entwicklung von Algorithmen für einen Computer, der nie gebaut werden würde. Also ging ich zurück und begann, mit den Experimentatoren zu sprechen, mit Leuten, die Qubits bauen, das war vor etwa fünf Jahren. Und sie hatten zu diesem Zeitpunkt 10, 15 Jahre an Daten darüber, wie gut man ein Qubit und Photonik bauen kann.

Jeremy O'Brien war zu dieser Zeit in Bristol und fragte seine Gruppe. PsiQuantum unterhielt sich also mit den Ionenfallen-Leuten in Oxford und den Leuten von der Supraleitung. Und was ich sah, war der Trend, dass wir der Lösung der zugrundeliegenden Physik für die Steuerung einzelner Quantencomputer immer näher kamen. Was wir also brauchten, war, dies nutzbar zu machen. Was wirklich fehlte, war ein technischer Ansatz zur Vergrößerung von Quantencomputern. Es gibt viele großartige Physiklabors auf der ganzen Welt, die einzelne Qubits in den Griff bekommen und kontrollieren, und jetzt ist es an der Zeit, Leute aus anderen Bereichen einzubinden, um die technische Herausforderung zu lösen. Das war also vor fünf Jahren bei Riverlane, und wir arbeiten jetzt mit Hochdruck an der Lösung dieses Problems.

Yuval: Also, Steve, ich drücke Ihnen die Daumen für Ihren schnellen Erfolg. Und wie kann man mit Ihnen in Kontakt treten, um mehr über Ihre Arbeit zu erfahren?

Steve: Schicken Sie mir eine E-Mail, steve.brierley@riverlane.com, oder wir haben eine Website, die ein guter Ausgangspunkt ist, zum Beispiel haben wir einen Newsletter, also riverlane.com. Oder erreichen Sie mich auf LinkedIn. Ich beantworte gerne alle Fragen.

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

Steve: Großartig. Ich danke Ihnen. Ich habe das Gespräch genossen.