Podcast mit Tom Wong, Quanteninformationswissenschaftler und Autor

Mein heutiger Gast ist Tom Wong, Physiker, Quanteninformationswissenschaftler und Autor des neuen Buches: "Einführung in das klassische und das Quantencomputing". Tom und ich sprechen über die Vermittlung von Quanteninformatik an Schüler und Studenten, über seine Spitzenforschung zu Quantenalgorithmen und vieles mehr.

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DIE VOLLSTÄNDIGE ABSCHRIFT FINDEN SIE UNTEN

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

Tom: Hallo. Danke, dass ich dabei sein darf.

Yuval: Also, wer sind Sie und was machen Sie?

Tom: Ich bin Physikprofessor an der Creighton University in Omaha, Nebraska, und arbeite hauptsächlich mit Studenten, die sich mit Quantencomputing beschäftigen und Quantencomputing unterrichten.

Yuval: Und Sie haben ein neues Buch, das, wie ich heute gesehen habe, die Nummer eins auf der Amazon-Liste für Quantencomputer-Bücher ist?

Tom: Es ist die Nummer eins bei den Neuerscheinungen, aber natürlich wird es nicht die Nummer eins im Vergleich zu all den bahnbrechenden Titanen auf unserem Gebiet sein. Aber ja, ich habe ein neues Lehrbuch, das auf einem Kurs basiert, den ich in Creighton für Studenten unterrichtet habe, einem Einführungskurs in Quantencomputing. Das Interessante daran ist, dass die einzige Voraussetzung Trigonometrie ist. Viele der Lehrmaterialien, die es zum Thema Quantencomputer und Lehrbücher gibt, sind eher für Studenten mit Hochschulabschluss gedacht, aber dieses Buch ist wirklich für Erstsemester, Studenten im zweiten Studienjahr und vielleicht sogar für fortgeschrittene Schüler gedacht.

Yuval: Ich habe ein Exemplar heruntergeladen und das meiste davon gelesen, und ich finde es sehr schön. Ich hoffe, dass ich das meiste davon weiß, obwohl ich noch keine Ihrer Prüfungen abgelegt habe. Wie früh kann man das Ihrer Meinung nach unterrichten? Würden Sie es Neuntklässlern beibringen? Würden Sie es Elftklässlern beibringen? Ich meine, wo würden Sie den Leuten empfehlen, anzufangen, sich mit Quanten zu beschäftigen?

Tom: Ich denke, es gibt zwei Fragen, die sich dabei stellen. Die eine ist, auf welchem Niveau könnte ich das Material in meinem Lehrbuch unterrichten? Und die andere Frage ist, auf welchem Niveau könnte man Quanteninformatik im weiteren Sinne unterrichten? Bei meinem Lehrbuch habe ich erwähnt, dass die Voraussetzung Trigonometrie ist. Sobald die Schüler also mit dem Einheitskreis vertraut sind, können sie sich mit dem gesamten Material in meinem Lehrbuch befassen, denn mein Buch deckt die fortgeschrittenere Mathematik ab, die sie brauchen werden. Es deckt also lineare Algebra ab und behandelt komplexe Zahlen und solche Dinge. Vielleicht sollte ich für die Hörer, die dieses Lehrbuch tatsächlich kostenlos gemacht haben, erwähnen, dass es auf meiner Website thomaswong.net ein kostenloses PDF davon gibt. Und für diejenigen, die ein günstigeres gedrucktes Exemplar haben wollen, habe ich es gerade bei Amazon hochgeladen. Sie können also auch ein günstiges gedrucktes Exemplar kaufen. Aber wie gesagt, die PDF-Datei ist auf meiner Website kostenlos, so dass sie jeder herunterladen kann.

Damit gibt es viele Schüler, die Trigonometrie belegen und dann Quantencomputer lernen könnten. Abgesehen von meinem Lehrbuch denke ich, dass die grundlegenden Ideen der Quanteninformation auch ohne die ganze Mathematik gelehrt werden können, sogar für Kinder. Und ich denke, es gibt tatsächlich Bestrebungen, dies zu tun. So gibt es zum Beispiel in den USA eine Initiative namens Q-12 Educational Partnership. Ich glaube, die Website lautet q12education.org. Im Grunde geht es darum, dass man erkannt hat, dass es notwendig ist, eine zukünftige Quantenbelegschaft zu haben. Und um das zu erreichen, muss man die Ideen der Quanteninformatik schon in jüngeren Jahren einführen. Auf diese Weise wissen die Schüler, dass es dieses Gebiet gibt, und sie können dann denken: Oh, wenn ich groß bin, möchte ich Quanteninformatiker werden, denn oft entscheiden sich Schüler nur deshalb für ein bestimmtes Gebiet, weil sie von ihren Eltern oder von ihren Lehrern oder Schulberatern davon gehört haben. Und wenn die Quanteninformatik nicht auf dem Radar der Leute ist, werden sie nicht wissen, dass es diese Berufe überhaupt gibt.

Yuval: Sie unterrichten das Thema nun schon seit einigen Jahren. Welches Konzept ist für Ihre Schüler am schwierigsten zu begreifen?

Tom: Oh, das ist eine wirklich schwierige Frage, denke ich. Ich möchte nicht sagen, dass es kein schwieriges Konzept gibt, denn dann würde es sich anhören, als würde ich prahlen oder so. Aber ich denke, es hängt zum Teil von der Art des Kurses ab, den Sie unterrichten, denn mein Kurs ist kein konzeptioneller Kurs. Ich bringe ihnen die Mathematik bei, die sie noch nicht kennen. Ich glaube, dass die Studenten diese Quantenkonzepte wie Quantenverschränkung und Superposition und solche Dinge verstehen, weil sie gesehen haben, wie das mit der Mathematik funktioniert, weil wir die Mathematik tatsächlich anwenden. Und ich glaube, dass einige dieser Konzepte für Laien schwer zu verstehen sind, weil man versucht, sie mit Analogien zu beschreiben, anstatt einfach zu wissen, was sie eigentlich sind. Und ich glaube, dass Dinge wie Verschränkung dann sehr verwirrend werden können. Daher denke ich, dass zumindest bei den Themen, die ich in meinem Unterricht behandle, die wiederum einführende Themen sind, ich unterrichte keinen Kurs auf Graduiertenniveau. Ich denke, dass die Grundlagen für die Studenten tatsächlich zugänglich sind, und selbst die Grundlagen der Verschränkung, der Superposition und all dieser Quantenkonzepte sind eigentlich gar nicht so schlecht.

Und ich denke, das ist eine sehr gute Erkenntnis, denn oft hat die Quantenphysik den Ruf, geheimnisvoll zu sein oder dass nur die klügsten Köpfe der Welt sie verstehen, begreifen und zu diesem Gebiet beitragen können. Ich möchte mit diesem Klischee brechen. Ich glaube wirklich, dass jeder die Quantenphysik verstehen und zu ihr beitragen kann. In gewisser Weise hatten wir also Marketingprobleme, weil wir das Feld als etwas Gespenstisches vermarktet haben. Aber in Wirklichkeit ist es wie bei allem, was man lernt: Wenn man alle notwendigen Schritte unternimmt, um es zu verstehen, sollte es nicht mehr gruselig sein, denn die Aufgabe der Wissenschaftler ist es, dass die Dinge, die wir untersuchen, nicht mehr gruselig sind, weil man sie versteht. Ich meine, wenn man mit einem kleinen Kind darüber spricht, wie man Zahlen multipliziert, wenn es nur an den Fingern abzählen kann, klingt die Multiplikation nach etwas, das einschüchternd sein kann und das es nie verstehen könnte.

Aber wenn sie erst einmal durch die Schule gehen und Addition und Subtraktion lernen, und wenn sie dann zur Multiplikation kommen, ist es nicht mehr so schlimm, weil sie die notwendigen Schritte unternommen haben, um es zu verstehen. Und ich denke, wir müssen das auch über das Quantencomputing vermitteln. Dass es für den derzeitigen Stand der Dinge vielleicht ein bisschen weit hergeholt ist, aber man braucht nur ein paar Schritte zu machen, und dann ist es etwas, das man begreifen kann.

Yuval: Lassen Sie uns eine scharfe Kurve machen und in die heutige Zeit gehen, zu einigen der fortgeschritteneren Dinge, an denen Sie außerhalb des Buches arbeiten, und dann möchte ich auf das Buch zurückkommen. Die Leute kennen die berühmten Algorithmen der Quanteninformatik, die von Shor und Grover, Deutsch-Jozsa und so weiter. Warum gibt es nur so wenige? Ich meine, würden Sie nicht erwarten, dass es inzwischen 30 oder 50 wichtige Quantenalgorithmen gibt?

Tom: Ich glaube, ein wichtiger Grund ist, dass wir nicht genügend große Quantencomputer haben, mit denen die Leute spielen und die sie ausprobieren können. Und das meine ich, wenn man sich die Entwicklung der klassischen Computer ansieht. Damals, als die klassischen Computer erfunden wurden, gab es bestimmte Probleme, die man mit diesen klassischen Computern lösen wollte. Und deshalb gibt es, glaube ich, eine berühmte Aussage eines damaligen Geschäftsführers, der sagte, dass der Weltmarkt für Computer fünf ist, weil man eine so begrenzte Anzahl von Problemen im Kopf hatte, was klassische Computer tun konnten. Aber sobald Computer für jedermann zugänglich wurden und mehr Menschen daran teilhaben konnten, kamen die Leute auf alle möglichen Anwendungen, wie z. B. diesen Podcast, der über das Internet aufgezeichnet wurde, oder sogar viel klassisches maschinelles Lernen, sehr viel davon.

Der Grund, warum wir maschinelles Lernen einsetzen, ist, dass es einfach funktioniert. Man hat es ausprobiert und es funktioniert, und es gibt nicht unbedingt die strengsten theoretischen Grundlagen dafür, warum maschinelles Lernen so erfolgreich ist. Ich meine, es gibt einige allgemeine Gründe dafür, aber im Sinne eines strengen mathematisch-informatischen Beweises gibt es das nicht einmal beim klassischen maschinellen Lernen. Und so denke ich, dass es beim Quantencomputing ähnlich ist: Ja, wir haben eine Handvoll großer Probleme, die wir mit Quantencomputern lösen könnten, aber ich denke, dass die meisten Anwendungen erst entdeckt werden, wenn die Quantencomputer für die Leute zum Spielen zur Verfügung stehen und man einfach etwas ausprobiert und sieht, ob es funktioniert. Später können dann die Mathematiker und theoretischen Informatiker das theoretische Verständnis dafür liefern, warum es funktioniert.

Yuval: Woran arbeiten Sie? Welche Art von Algorithmen erforschen Sie?

Tom: Ich arbeite hauptsächlich mit Quantenalgorithmen, die auf den Quantenversionen von Random Walks beruhen. Ein Random Walk ist, wenn etwas zufällig umherhüpft. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Prozess für klassische Algorithmen sehr nützlich ist, und ebenso erweist er sich als eine sehr nützliche Methode zur Entwicklung von Quantenalgorithmen. Insbesondere betrachte ich die Quantensuchalgorithmen. Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Art Netzwerk und ein Quantenpartikel, das in diesem Netzwerk in einer Superposition herumspringt, weil es ein Quantenpartikel ist, und versucht, einen bestimmten Knoten zu finden. Und es stellt sich heraus, dass ein Quantencomputer je nach Struktur des Netzwerks schnell oder langsam suchen kann. Ich habe also viel darüber nachgedacht, welche verschiedenen Eigenschaften des Netzwerks wichtig sein könnten, damit ein Quantencomputer schnell suchen kann.

Yuval: Ist das in irgendeiner Weise mit Monte-Carlo-Algorithmen verwandt, die auch eine Art von Zufallsbewegung enthalten?

Tom: Es ist verwandt. Tom: Ja. Man kann sich einen Quantum Walk wie eine Quantenversion eines Monte-Carlo-Algorithmus oder einer Markov-Kette vorstellen.

Yuval: Verstanden. Wenn ich mir also das Buch ansehe und Sie diese Algorithmen erklären. Also, so baue ich ein Oracle für ein paar Qubits und so mache ich das, und so weiter. Was glaubst du, was passiert, wenn die Leute, sagen wir mal, ich habe das Buch gelesen, ich habe alle Prüfungen gemacht, ich weiß, was da steht. Wie groß ist die Kluft zwischen dem Buch und der tatsächlichen Schaffung von etwas wirklich Nützlichem in einer Unternehmensumgebung für Quantencomputer. Was ist der nächste Schritt oder was müssen die Leute tun, um dorthin zu gelangen?

Tom: Ja. Nun, eines der schönen Dinge am derzeitigen Stand des Quantencomputings ist, dass es eine Menge an Bildungsressourcen gibt. Ich behaupte also nicht, dass mein Buch das einzige ist, das es gibt. Es gibt viele Ressourcen, die sogar von vielen Quantencomputerfirmen herausgegeben wurden, und sie haben ganze Lektionen und sogar kostenlose eTextbücher darüber, wie man ihre Geräte für potenzielle Optimierungsprobleme und Ähnliches verwendet. Es gibt also bereits eine Menge Arbeit und eine Menge Material darüber, wie man Quantencomputer für industrielle Probleme einsetzen kann. Gegenwärtig sind die Quantencomputer noch nicht groß genug, um eines dieser Probleme sinnvoll zu lösen, das über das hinausgeht oder besser ist als das, was unsere bestehenden herkömmlichen Computer können. Aber die Idee ist, mit diesen kleinen Quantencomputern zu experimentieren, so dass wir, wenn wir größere haben, diese hoffentlich einsetzen können, um Probleme zu lösen, die wir derzeit nicht lösen können. Ich würde die Leute also auf jeden Fall auf diese Art von Ressourcen hinweisen.

Yuval: Und in Bezug auf Ihre Forschung, sehen Sie da eine kommerzielle Anwendbarkeit?

Tom: Das könnte sein, denn die Suche ist ein sehr wichtiges Problem. Deshalb ist Grovers Algorithmus so berühmt, denn obwohl es sich um eine quadratische und nicht um eine exponentielle Beschleunigung handelt, ist es eine sehr universelle Art von Problem. Daher kann man meine Forschung fast so betrachten, dass ich mich ein wenig mehr mit den Details von Grovers Algorithmus beschäftige. Zum Beispiel, was passiert, wenn die Daten so strukturiert sind, dass man nicht einfach von einem Teil der Daten, einem Knoten zu einem anderen Knoten springen kann, wenn sie in einer Art Struktur angeordnet sind. Ich glaube, die Suche ist ein sehr universelles Problem. Wann wird es kommerziell nutzbar sein? Es könnte eine Weile dauern, denn Quantencomputer sind ein sehr schwieriges technisches Problem. Und auch unsere klassischen Computer sind einfach sehr, sehr gut. Es wird also noch eine Weile dauern, bis Quantencomputer Dinge tun können, die klassische Computer nicht können, und das mit einer bescheidenen polynomiellen Beschleunigung.

Yuval: Entschuldigen Sie, dass meine Fragen so zufällig sind. Lassen Sie uns auf das Buch und einige der grundlegenden Konzepte zurückkommen. Ich glaube, wenn die Leute etwas über Verschränkung lernen, verstehen sie den Wert in Bezug auf die Quantenkommunikation oder die Schlüsselverteilung, und wenn ich das eine ändere, ändert sich auch das andere, so dass man es weiß, und so weiter und so fort. Wie würden Sie jemandem den Wert der Verschränkung in Bezug auf die Bedeutung der Quantencomputer erklären?

Tom: Ja. In unserem Buch sprechen wir also darüber, was Verschränkung ist. Ein verschränkter Zustand ist also ein Zustand, in dem alle Qubits verschränkt oder auf irgendeine Weise miteinander vermischt sind, richtig? Wenn man ein Qubit misst, wirkt sich das auf die anderen Qubits aus, was das Gegenteil eines Zustands ist, in dem das nicht der Fall ist, was man einen Produktzustand nennt. In einem Produktzustand kann man sich die Qubits als individuelle Qubits vorstellen, bei denen man mit einem Qubit interagieren kann, ohne die anderen Qubits zu beeinflussen. Wenn es also keine Verschränkung gibt, d. h. wenn man einen Produktzustand hat, kann man einen Produktzustand tatsächlich effizient mit klassischen Computern simulieren. Und das liegt daran, dass ich davon ausgehe, dass dies ein fortgeschritteneres Publikum für Ihren Podcast ist, so dass die Leute vielleicht ein wenig über Quantencomputer wissen. Das liegt daran, dass die Anzahl der Amplituden, die man für einen Produktzustand im Auge behalten muss, nicht exponentiell, sondern linear mit der Anzahl der Qubits wächst.

Aus diesem Grund kann ein klassischer Computer den gesamten Quantenzustand für den Produktzustand effizient speichern und auch effizient darauf reagieren. Wenn es also keine Verschränkung gibt, ist ein Quantencomputer in dieser Hinsicht nur so gut wie ein klassischer Computer, denn ein klassischer Computer kann alles tun, was ein Quantencomputer tun kann. Wenn man also eine Beschleunigung erreichen will, muss man im Wesentlichen die Verschränkung nutzen. Ich glaube, das ist der Hauptgrund für die Bedeutung der Verschränkung bei Berechnungen. Man braucht sie, wenn man etwas besser machen will als ein klassischer Computer.

Yuval: Wenn man sich die heutigen Quantenanwendungen ansieht, und um auf die kommerzielle Nutzung zurückzukommen, gibt es natürlich eine Menge Hype und Ängste um Shor im Hinblick auf die Frage: "Oh, ich werde das Finanzsystem der Welt zerstören", aber das ist noch ein paar Jahre entfernt. Wenn Sie mit Branchenkollegen sprechen, welchen Algorithmus oder welche klassischen Algorithmen verwenden sie am häufigsten bei ihrer Arbeit?

Tom: Ich denke, das hängt natürlich stark von der Branche ab. Ich meine, wenn man über Probleme spricht, die eher mit Quantensimulation, Quantenchemie und dergleichen zu tun haben, dann geht es im Grunde darum, Grundzustände zu finden, also eine sehr allgemeine Sache. In vielen anderen Branchen geht es im Grunde um das Lösen von Differentialgleichungen, und im Finanzwesen ist das der Fall, für verschiedene Finanzmodelle und so weiter. In anderen Branchen geht es um die Optimierung von Dingen, z. B. um die Optimierung von Flugplänen und dergleichen. Ich denke also, dass es je nach Branche eine Menge Unterschiede gibt, was die Sache auch sehr interessant macht. Ich meine, das ist so, als würde man bei einem herkömmlichen Computer fragen: Wofür werden klassische Computer am häufigsten verwendet? Das ist so ziemlich alles. Also ja. Ich weiß nicht, ob ich Ihnen einen bestimmten Bereich nennen kann.

Yuval: Das ist fantastisch. Tom, wie kann man mit Ihnen in Kontakt treten, um mehr über Sie und Ihre Arbeit im Buch zu erfahren?

Tom: Meine Website thomaswong.net ist der beste Ort, an dem Sie alle meine Forschungsarbeiten sehen können. Sie können einen Link zum Herunterladen meines kostenlosen Lehrbuchs erhalten. Und ganz unten auf meiner Website finden Sie auch meine Kontaktinformationen.

Yuval: Das ist perfekt. Vielen Dank, dass Sie heute bei mir waren.

Tom: Gern geschehen. Danke, dass ich dabei sein durfte.