Vom Aufbau hybrider Architekturen bis zur Bewältigung komplexer grundlegender Fragen, Quantenphysiker Mauro Paternostro skizziert das enorme Potenzial, das die Quantentechnologielandschaft bietet
Wir befinden uns mitten in einer Quantenrenaissance, in der Forscher aus Wissenschaft und Industrie darum wetteifern, das Quantencomputing-Rennen zu „gewinnen“. Der Quantenmarkt boomt und zahlreiche große und kleine Unternehmen investieren in diese Technologie, unterstützt durch enorme staatliche Fördermittel auf der ganzen Welt.
Mauro Paternostro, Quantenphysiker an der Universität Palermo und der Queen's University Belfast, ist Experte für Quanteninformationsverarbeitung und Quantentechnologie. Sein Team arbeitet an den Grundlagen des Fachs und betreibt bahnbrechende Forschung in den Bereichen Hohlraumoptomechanik, Quantenkommunikation und darüber hinaus. Er ist außerdem Chefredakteur der Zeitschrift IOP Publishing Quantenwissenschaft und -technologie.
In diesem umfassenden Interview spricht Paternostro mit dem Tushna Commissariat über seine Ansichten zur Quantenlandschaft – von den „vier Säulen“ der Quantentechnologie und Hybridarchitekturen bis hin zur vielversprechenden Verbindung zwischen Quantentechnologie und künstlicher Intelligenz (KI). Paternostro unterstreicht auch die Notwendigkeit einer kontinuierlichen staatlichen Finanzierung, um das wahre Potenzial dieser weltverändernden Technologie auszuschöpfen.
Wir haben im letzten Jahrzehnt gesehen, wie die Quantenblase explodierte, aber was sind die potenziellen Vorteile und Risiken der exponentiellen Expansion von Quantentechnologieunternehmen und -finanzierungen auf der ganzen Welt?
Insgesamt ist das Bild sehr positiv. Die Quanteninformationsverarbeitung benötigte einen Schub seitens der Industrie, da Unternehmen die pragmatischeren Entwicklungen vorantreiben können, die das Feld benötigt. Die Perspektive, die die Industrie bietet, trägt dazu bei, Quantentechnologien fokussierter zu gestalten, wenn es um Gesamtziele geht. Der aufkeimende, explodierende Markt – sei es in der Industrie oder im akademischen Bereich – ist großartig.
Aber wie Sie betonen, gab es ein schnelles Wachstum. Und obwohl das größtenteils eine gute Sache ist, gibt es auch ein wenig die Sorge, dass wir eine große Blase schaffen könnten, die eher früher als später platzen wird. Ich denke also, dass es eine Frage der Kontrolle ist – wir müssen uns etwas zurückhalten und gleichzeitig zulassen, dass der Forschungsbereich organisch wächst.
Ich bin ein wenig besorgt über die Anzahl kleiner Unternehmen, die offenbar alle ihre eigene Quantensoftware entwickeln. Ihre Produkte haben sehr wenig mit echten Quantenalgorithmen zu tun und sind typischerweise klassische Optimierungslösungen – die ihre eigenen Vorzüge haben. Aber sie sind nicht unbedingt das, was ich ein Quantengerüst nennen würde.
Andererseits sind einige Spin-off-Unternehmen stärker auf die Implementierung von Quantenverarbeitungsplattformen wie Quantensensoren ausgerichtet. Diese sind wirklich interessant, da nicht nur Quantenberechnungen im Spiel sind, sondern auch andere physikalische Gesetze.
Den Entwicklungen der Quantentechnologie liegen vier Säulen zugrunde: Quantencomputing; Quantensimulation; Quantenkommunikation; und Quantensensorik und Metrologie. Und ich würde sagen, dass sich alle vier sehr gesund entwickeln.
Die Quantensensorik scheint zusammen mit der Kommunikation dank der ausgereiften Technologien, die sie nutzen kann, zu den fortschrittlichsten zu gehören. Während die Beteiligung der Industrie vorteilhaft und vielversprechend ist, sollten wir uns vor wilden Spekulationen und „Inflation“ hüten, die entstehen, wenn wir versuchen, in einen schnellen Bus einzusteigen, ohne den vollen Fahrpreis für die Fahrt zur Hand zu haben.
Und obwohl ich kleineren Unternehmen oft skeptisch gegenüberstehe, bekommt man manchmal auch besorgniserregende Nachrichten von den großen Playern. Beispielsweise hatte das chinesische Technologieunternehmen Alibaba ein Interesse an der Entwicklung von Quantencomputing-Plattformen und -Lösungen, bis es Ende letzten Jahres plötzlich beschloss, sein internes Quantenteam zu schließen, mit der Begründung, es wolle sich lieber darauf konzentrieren, führend in der KI-Forschung zu sein.
War das einfach eine Geschäftsentscheidung oder wittert Alibaba etwas, das wir noch nicht gerochen haben? Ich denke, wir müssen abwarten und sehen. Insgesamt denke ich, dass die Zukunft vielversprechend ist und dass die Beteiligung der Industrie eine sehr gute Nachricht ist.
Es gibt eine Reihe verschiedener Quantencomputertechnologien, die um den Spitzenplatz konkurrieren – von gefangenen Ionen und Quantenpunkten bis hin zu supraleitenden und photonischen Qubits. Was ist Ihrer Meinung nach am wahrscheinlichsten zum Erfolg?
Ich bin eine Art Agnostiker, da ich nicht glaube, dass das erste Quantengerät, das wir bauen, vollständig quantentechnisch sein wird. Ich weiß, dass dies für einige eine kontroverse Meinung ist, aber es ist eine Meinung, die von vielen anderen in meinem Fachgebiet geteilt wird. Ich denke, am Ende werden wir eine hybride Architektur haben, in der das Beste von allem vereint ist Hochleistungsrechnen (HPC) wird mit Quantencomputerarchitekturen interagieren.
Vielleicht diese Verrauschtes Quantum mittlerer Skala (NISQ) Zu diesen Architekturen kommt eine vollwertige HPC-Architektur hinzu, die ihre Leistung steigert, oder umgekehrt. Die Quantenressourcen, die diese Art von Hybridgerät zur Verfügung stellt, werden die Leistung verbessern, die der aktuelle klassische HPC erzeugen kann. Ich glaube fest an die Machbarkeit einer solchen Hybridarchitektur – eine vollständige Quantenlösung ist noch weit von unserem jetzigen Stand entfernt.
Außerdem bin ich nicht ganz davon überzeugt, dass wir in der Lage sein werden, die enormen Ressourcen zu verwalten, die erforderlich wären, um die Lücke in der Rechenleistung, die ein Quantencomputer bieten würde, voll auszunutzen. Ein mittelfristiges Ziel dieser hybriden HPC-Quantenarchitektur wird eine viel realistischere – und möglicherweise sehr fruchtbare – Architektur sein. Ich bin leicht optimistisch, dass sich in meinem Leben noch etwas tun wird.
Sie haben erwähnt, dass Quantensensoren bereits für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt werden, darunter das Gesundheitswesen, das Baugewerbe und sogar die Schwerkraftmessung. Was gibt es Neues und Spannendes in diesem Bereich?
Quantensensoren entwickeln erstaunliche Fähigkeiten zur Untersuchung von Mechanismen, die bisher schwer fassbar waren. Im Wesentlichen helfen uns diese Sensoren dabei, die potenziellen Quanteneffekte von Kräften wie der Schwerkraft besser zu erkennen, an deren Verfolgung viele Forscher im Vereinigten Königreich interessiert sind. Ein erheblicher Teil der experimentellen Gemeinschaft verfolgt diese Ziele – wobei der Quantenhub der Universität Birmingham an dieser Front führend ist.
Ich glaube nicht, dass irgendjemand behauptet, dass es eine erfolgreiche experimentelle Plattform gibt, die es zu verfolgen gilt – sowohl kalte Atome als auch Optomechanik gehören in dieser Hinsicht zu den vielversprechendsten. Aber die theoretischen und experimentellen Fortschritte, die auf diesem Gebiet erzielt wurden, sind sehr interessant.
Sensoren, die die grundlegende Natur schwer fassbarer physikalischer Mechanismen erforschen können, werden meiner Meinung nach eine Schlüsselentwicklung sein. Und dann gibt es noch andere Sensorgeräte wie Beschleunigungsmesser oder Bildsensoren, die bereits ziemlich gut etabliert sind. Der Das britische National Quantum Technologies Program hat in dieser Hinsicht bereits erhebliche Fortschritte gemacht, und die Technologie ist verfügbar und ausgereift genug, um eine echte Wirkung zu erzielen.
Ich denke, dass die Industrie stark in diesen Bereich investieren sollte, da neben der Kommunikation derzeit auch die Sensorik bei der Implementierung von Quantentechnologien im Vordergrund steht.
Die Voraussetzungen für einen Quantenmarktplatz schaffen: Wo steht das Quantengeschäft und wie könnte es sich entwickeln?
Und was ist mit der Quantenkommunikation?
Die Quantenkommunikation ist wahrscheinlich das konkreteste Beispiel dafür, wie akademischer Fortschritt zum Nutzen branchenorientierter Ziele genutzt wurde. Es ist ein absolut hervorragendes Beispiel dafür, was wir erreichen können, wenn diese beiden Komponenten zusammenarbeiten.
Obwohl die Fortschritte fantastisch waren, gibt es auch kontroverse Aspekte, insbesondere wenn wir die größeren geopolitischen Auswirkungen eines globalen Quantennetzwerks berücksichtigen. Das Thema Kommunikation und Datensicherheit wird an Bedeutung gewinnen, daher müssen wir die umfassenderen Auswirkungen dieser technologischen Entwicklungen sorgfältig abwägen. Geopolitische Grenzen ändern sich ständig und ihre Ziele stimmen nicht immer mit wissenschaftlichen Zielen überein.
Was sind einige Schlüsselbereiche, in denen sich KI und Quantentechnologien überschneiden? Wo helfen sie einander am besten und was sind mögliche Probleme?
Das ist eine sehr wichtige Frage. Unnötig zu erwähnen, dass der heilige Gral für beide Bereiche sehr nahe liegt – sowohl KI als auch Quantenberechnung basieren auf der Entwicklung neuer Algorithmen. Man hört Leute über Quantenmaschinelles Lernen (ML) oder Quanten-KI reden, aber das ist nicht das, was sie wirklich meinen. Sie beziehen sich nicht auf speziell entwickelte Quantenalgorithmen für KI- oder ML-Probleme. Gemeint ist damit die Hybridisierung von klassischem maschinellem Lernen oder klassischer KI mit Quantenproblemen.
Diese Lösungen hängen vom Fachgebiet und dem Problem ab, das wir angehen möchten. Aber im Allgemeinen betrachten wir klassische Techniken zur Verarbeitung von Datensätzen; Optimierungsprobleme; Kostenfunktionen lösen; und Kontrolle, Optimierung und Manipulation von Quantenproblemen.
Das ist sehr vielversprechend, da Sie das Beste aus beiden Welten vereinen. Aus theoretischer Sicht besteht das Ziel darin, Fragen auf der allgemeinen quantenmechanischen Ebene anzugehen, die behandelt werden müssen, und vielleicht auch größere und komplexere Probleme im Hinblick auf die Größenordnung. Wir wollen Werkzeuge auf algorithmischer Ebene entwickeln, die es Ihnen ermöglichen, die Komplexität dieser Probleme zertifizierbar und konsolidiert zu bewältigen.
Und das Interessante ist, dass die Experimente begonnen haben, mit den theoretischen Entwicklungen Schritt zu halten. Wir verfügen bereits über eine Reihe von Lösungen, Ansätzen und Methoden, die in diesem Hybridszenario entwickelt wurden, in dem ML und Quanteninformationsverarbeitung zusammenkommen.
Ich hoffe, dass diese Experimente in den nächsten Jahren vollständig untersucht werden und nicht zum Stillstand kommen, wenn die KI- und Quantenblase tatsächlich platzt. Ich bezweifle jedoch, dass dies der Fall sein wird, denn KI ist von Dauer, während ML heute ein unverzichtbares Werkzeug ist, das von Datenanalysten weltweit verwendet wird. Wenn wir den Ehrgeiz haben, die Komplexität der Probleme, die wir angehen können und sollten, zu steigern, müssen wir uns auf die Entwicklung dieser Instrumente konzentrieren.
Welche neuen Initiativen gibt es in diesem Bereich?
Früher in diesem Jahr, Britische Forschung und Innovation (UKRI) gab bekannt, dass es neun neue Forschungszentren finanziert, um „revolutionäre KI-Technologien bereitzustellen“, um komplexe Probleme vom Gesundheitswesen bis zur Energie anzugehen, sowie zehn weitere Studien zur Definition von „verantwortungsvoller KI“. Ich weiß, dass einige davon eine Quantenkomponente haben – insbesondere im Gesundheitswesen, wo KI-basierte Lösungen absolut grundlegend sind, aber es kann auch Quantenlösungen geben.
Daher bin ich sehr optimistisch, was die Verschmelzung von KI und Quantentechnologie angeht, sofern die Entwicklung eines KI-Frameworks reguliert wird. Im Moment ist die Die Europäische Kommission formuliert den rechtlichen Rahmen für ihr KI-Gesetz, das sich mit den Risiken befasst, die von KI ausgehen könnten, und mit der globalen Rolle, die die EU bei der Regulierung der Technologie spielen möchte. Sowohl das Vereinigte Königreich als auch die USA arbeiten bereits seit einiger Zeit an ähnlichen Rahmenwerken, daher sollten wir eher früher als später eine globale Politik und Regulierung ausarbeiten.
Solange diese Entwicklung einer regulierten Politik mit soliden Rahmenbedingungen folgt, sollten die Interaktionen von KI mit Quantentechnologien einen nützlichen wechselseitigen Feedback-Mechanismus schaffen, der beiden Bereichen zu einem deutlichen Wachstum verhelfen wird.
Wenn es um die Finanzierung der Quantentechnologie durch Regierungen auf der ganzen Welt geht, in welche spezifischen Bereiche würden Sie sich weitere Investitionen wünschen?
Meine Zuschüsse! Aber im Ernst: Die staatlichen Investitionen waren weit verbreitet und beträchtlich in einem im Wesentlichen noch jungen Wissenschaftsbereich. Verglichen mit einigen anderen Bereichen, die wissenschaftliche Mittel erhalten, wie zum Beispiel der militärischen oder medizinischen Forschung, ist der Betrag, der auf den Teller gesteckt wurde, fast lächerlich – aber für uns ist es natürlich eine sehr gute Sache. Ein Vorteil dieser Art von Staatsausgaben besteht darin, dass sie uns dazu zwingen, eine Gemeinschaft zu bilden und gemeinsame Ziele zu entwickeln.
Wenn wir uns auf die oben genannten vier Säulen beziehen, besteht ein grundlegender Zusammenhang zwischen grundlegender Physik und theoretischen Entwicklungen. Verschiedene Länder haben je nach Fachwissen und Ressourcen eine oder mehrere Säulen ausgewählt, auf die sie sich konzentrieren möchten. Die USA legen großen Wert auf Berechnungen. Die EU ist weiter verbreitet und daher ist die Situation komplexer, aber es gibt große Investitionen in die Kommunikation und ein wachsendes Interesse an Simulationen, während sich eine Reihe nationaler EU-Strategien auch auf die Sensorik konzentrieren.
Das Vereinigte Königreich versucht ebenfalls, das gesamte Spektrum abzudecken, identifiziert jedoch einige sehr klar definierte Themen, von der Bildgebung bis zur Berechnung und von der Kommunikation bis zur Sensorik. Es gibt Länder wie Finnland, die einen experimentelleren Ansatz verfolgen und sich auf supraleitende Architekturen konzentrieren, da sie bereits über riesige Anlagen verfügen. Singapur hingegen entwickelt eine sehr starke Forschungsrichtung in der satellitengestützten Quantenkommunikation. Für ein kleines Land verfügt es über ein enormes Potenzial, sowohl in Bezug auf Talente als auch auf Ressourcen.
So haben verschiedene Länder auf organische Weise ihr eigenes Fachgebiet entwickelt. Und dadurch gewinnen wir alle als Gemeinschaft – wir alle profitieren von allen Fortschritten, die erzielt wurden. Einige kleine Schritte, einige weitere inkrementelle Schritte, einige große Quantensprünge.
Ich denke, es wird wirklich wichtig sein, dass Regierungen, sowohl auf nationaler als auch auf übernationaler Ebene, erkennen, dass die Investitionen in Quantentechnologien nachhaltig sein sollten. Es ist ein Bereich, der kontinuierliche, ununterbrochene Unterstützung benötigt, um seine hohen Ziele zu erreichen. Und wir als wissenschaftliche Gemeinschaft müssen trotz aller Unterschiede ein kohärentes Bild mit denselben Zielen zeichnen. Nur dann werden wir am besten in der Lage sein, Quantentechnologien in lebensverändernde Realitäten umzusetzen.
Als neuer Chefredakteur von Quantenwissenschaft und -technologie (QST), was ist Ihre Vision für die Zeitschrift?
Es ist eine große Ehre und ich fühle mich absolut geschmeichelt, aber es ist auch ein großes Unterfangen, wenn man die sich entwickelnde Landschaft quantenbezogener Zeitschriften bedenkt. Für die Zeitschrift möchte ich sicherstellen, dass QST weiterhin einer der bevorzugten Wege für die Einreichung erstklassiger Beiträge bleibt. Ich möchte aber auch das Manifest und die Ziele der Zeitschrift mitgestalten.
Meine erste Priorität als Chefredakteur war daher die Bildung eines Vorstands, der zusammen mit der Unterstützung des Herausgebergremiums den Umfang und die Mission der Zeitschrift klar gestalten wird. Und das wird dann die Art und Weise beeinflussen, wie sich die Zeitschrift in den nächsten Jahren entwickeln wird, geleitet von der Quantenforschungsgemeinschaft. Was den Umfang betrifft, würde ich mir mehr hochwertige experimentelle Updates wünschen, die die Grenzen der Implementierung von Quantentechnologien sprengen.
IOP Publishing hat eine transformative Vereinbarung (TA) mit Ihrer Institution im Hinblick auf Open-Access-Publikationen. Kannst du mir davon erzählen?
Ich denke, dass es eine bahnbrechende Vereinbarung war, was die Veröffentlichung unserer Produktion betrifft. Angesichts der strengen Kriterien, die die Forschungsräte an durch Zuschüsse unterstützte Ergebnisse – beispielsweise vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) – gestellt haben, und der Notwendigkeit, dass diese vollständig zugänglich sind und die Daten der Gemeinschaft vollständig zur Verfügung stehen müssen, Was wir brauchen, ist ein TA, der Open Access garantiert. Es ist großartig, die Gewissheit zu haben, dass IOP Publishing eine praktikable Möglichkeit ist, meine EPSRC-konformen Ausgaben zu veröffentlichen.
Abgesehen von der Einhaltung der Finanzierungsvorschriften entfällt durch die IOPP-Vereinbarung der Verwaltungsaufwand für die Bearbeitung von Rechnungen für die Artikelveröffentlichungsgebühren (APCs), was eine große Erleichterung für die Wissenschaftler darstellt. Ich plädiere dafür, die Initiative auszuweiten – durch den Abschluss ähnlicher Vereinbarungen mit anderen Verlagshäusern –, aber auch dafür zu sorgen, dass es sich nicht um ein einmaliges Experiment handelt, das im nächsten Jahr oder so wieder verschwindet. Wir sollten es in die Art und Weise integrieren, wie Institutionen nicht nur im Vereinigten Königreich, sondern, was mich betrifft, auch in Europa beteiligt sind. Es sollte von Anfang an in der Arbeitsweise von Hochschulen und Forschungsinstituten verankert sein. Es ist von entscheidender Bedeutung, sicherzustellen, dass Synergien zwischen Verlagen und Universitäten oder Forschungsinstituten bestehen.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
