HSHL-Echo: Campusgespräche - Folge 13

Shownotes

HSHL-Echo: Campusgespräche ist ein Podcast der Hochschule Hamm-Lippstadt für all diejenigen, die am Studierendenleben und an der Forschung der Hochschule interessiert sind.

Das Forschungsgespräch haben wir diesmal mit Prof. Dr. Oliver Sandfuchs und Prof. Dr.-Ing. Peter Kersten geführt. Es dreht sich um die Themen Quantenmechanik und Quantencomputing.

Weitere Infos: Studierende der HSHL, die sich aktiv in die Verbesserung des Hochschulalltags einbringen möchten, haben in folgenden AGs die Möglichkeit dazu:

  • AG Welcome Center
  • AG Campusleben
  • AG Nachhaltigkeit Noch mehr Infos dazu unter: strategie.hshl.de

Transkript anzeigen

00:00:09: Ihr hört eine neue Folge HSL Echo Campus Gespräche.

00:00:13: Wir sind Josefina und Marc und haben wieder tolle Gäste der HSL für euch interviewt.

00:00:37: Für diese Episode unseres Podcasts habe ich den Professorin Oliver Sandfuchs und Peter Kerstin zu diesem Thema auf den Zahlen gefühlt und sozusagen gemeinsam auf das Geburtstagskind angestoßen.

00:00:46: Ja super,

00:00:47: dann hören wir doch mal rein.

00:00:50: Forschungsgespräch.

00:00:51: Herzlich willkommen zu diesem Forschungsgespräch.

00:00:54: Wir befinden uns mitten im Quantenjahr, zwanzig, zwanzig.

00:00:59: Und das ist natürlich ein Thema, über das wir hier am Campus Lipstadt ein bisschen sprechen möchten.

00:01:04: Dazu habe ich mir dann nämlich zwei Gäste eingeladen und zwar einmal Prof.

00:01:08: Oliver Sandfuchs und Prof.

00:01:09: Peter Kerstin.

00:01:11: Könnt ihr euch vielleicht einmal vorstellen, damit die Leute da draußen wissen, warum ich gerade euch zu diesem Gespräch eingeladen habe?

00:01:19: Ja, da fange ich an.

00:01:20: Ich bin der Oliver Sandfuchs.

00:01:21: Ich bin Professor für Optische Systeme hier an der Hochschule Hamburg-Stadt.

00:01:26: Meine Hauptthemen sind das Licht, die Photonik, die Optik und natürlich auch alles rund um Materialien, Materialwissenschaften.

00:01:33: Ein Standbein in der Bionik.

00:01:35: Was lernen wir von der Natur für die Technik?

00:01:37: Und natürlich ein Thema ist für mich auch immer die Quantenmechanik.

00:01:40: Ja, mein Name ist Peter Kerstin.

00:01:42: Ich freue mich, dass

00:01:43: wir heute

00:01:44: ein bisschen über Quantenmechanik und Quantencomputing sprechen können.

00:01:48: Mein Lehrgebiet ist die Mechatronik hier an der Hochschule, haben Lippstadt und was die Mechatronik und die Quantenmechanik und das Quantencomputing mit einer zu tun haben, da werden wir gleich ein bisschen zu plaudern.

00:02:00: Ganz genau, also ein auf jeden Fall sehr spannendes, großes, vielseitiges Thema.

00:02:06: Wir müssen, glaube ich, aber einmal, bevor es so richtig losgeht, so eine kleine Einordnung, vielleicht machen, so eine kleine Definition.

00:02:14: Deshalb einmal die Frage, was ist denn Quantenphysik überhaupt und wo begegnet sie uns im Alltag?

00:02:20: Ja, also Quantenphysik ist im Alltag so ein bisschen versteckt.

00:02:23: Wir scheinen sie nicht wirklich wahrzunehmen.

00:02:25: Sie versteckt sich im ganz kleinsten in den Atomen, im Micro- und Nanokosmos, aber ohne sie... Gibt es keine stabilen Atome?

00:02:34: Gibt es überhaupt keine Atome?

00:02:36: Es gibt keine chemischen Elemente im Sinne des Periodensystems.

00:02:40: Es gibt uns Menschen vermutlich deswegen auch nicht.

00:02:43: Wo finden wir sie im Alltag?

00:02:45: Im Alltag finden wir sie in modernen Lichtquellen wie die LEDs.

00:02:49: Da steckt Quantenphysik drin, sonst würden die nicht funktionieren.

00:02:53: Sie finden wir tatsächlich in jedem elektronischen Gerät, nämlich die leitende Fähigkeit von Metallen ist Quantenphysik.

00:03:03: Da würde ich dich jetzt vielleicht noch einmal bitten, das Ganze vielleicht so ein bisschen leihenhaft zu erklären, also in puncto Licht beispielsweise.

00:03:10: Wie kann ich mir das da vorstellen, wie funktioniert da die Quantenmechanik?

00:03:14: Also bei Licht ist das so, Licht kommt, muss ja irgendwo herkommen.

00:03:18: Und Licht kommt immer aus Atomen, egal wo es herkommt, ob es aus der Sonne kommt, ob es aus einer Glühbirne kommt, ob es aus einer LED kommt.

00:03:26: Und das Licht kommt aus den Atomen und in den Atomen verändern sich Zustände von Elektronen und die senden Licht aus.

00:03:33: Man stellt fest, dass das nur in gequantelten Zuständen passiert.

00:03:38: Also quasi diskret und nicht kontinuierlich, wenn man irgendwas lauter oder leiser macht, sondern es sind immer kleine Portionen, die ich eben als Vielfaches mehr machen kann.

00:03:47: Und da steckt quasi die Quantenphysik drin.

00:03:50: Das Licht, die Wechselwirkung, Licht mit Materie.

00:03:53: Und die Maßeinheit ist dann, glaube ich, ein Quant?

00:03:56: Ja, das ist schwierig, weil es gibt nicht die Maßseinheit, weil die Quantenphysik macht sich natürlich in Energie bemerkbar, macht sich im Impuls oder im Ort bemerkbar.

00:04:06: Man kann jetzt sagen, zum Beispiel Energie ist gequantelt.

00:04:09: Da hat die Quantenmechanik auch ursprünglich ihren Namen her, dass man gemerkt hat, Energie kann man nicht kontinuierlich verändern in der Quantenwelt, sondern immer nur in Portionen.

00:04:20: Und da hat die Quantenphysik quasi ihren Namen her.

00:04:23: Und das ist bei Licht genauso, wenn ich erzeuge ein Photon und wenn ich das Licht heller mache, erzeuge ich mehrere Photon.

00:04:30: Aber ich habe bei einer Farbe, rot beispielsweise, immer die gleiche Energie pro Photon.

00:04:36: Ich nehme nur mehr Photon, wenn es heller wird.

00:04:39: Wenn ich die Farbe wechsle, dann brauche ich andere Photonen mit mehr oder weniger Energie.

00:04:43: Und die kann ich wieder heller oder dunkler machen, indem ich mehr oder weniger davon nehme.

00:04:47: Und das ist eben anders als in der klassischen Physik.

00:04:50: In der klassischen Physik würde ich einfach sagen, ich mache das Photon heller.

00:04:54: Das geht aber nicht, weil das Photon genau eine Energie besetzt, nämlich seine Farbe.

00:04:59: Und ich muss mehr Photonen nehmen, um eben... die Sache heller zu machen.

00:05:03: Das heißt, wenn wir jetzt konkret zum Beispiel über eine Einheit reden wollen, dann könnten wir bei dem Foto über Jewel sprechen.

00:05:10: oder zum Beispiel, was man da häufiger nimmt, ist so eine Größe wie Elektronenvolt, also eine Einheit für eine Energie.

00:05:18: Wie der Oliver schon gesagt hat, rotes Licht zum Beispiel hat eben dann

00:05:21: eine

00:05:21: bestimmte Energiemenge.

00:05:24: Und wenn ich grünes Licht nehme oder blaues, dann unterscheidet sich das Foto von der Energiemenge, die es trägt.

00:05:29: Aber es kann eben nicht beliebige Energien annehmen, sondern nur ganz bestimmte.

00:05:34: Und das sehen wir ja bei den LEDs.

00:05:36: Die liefern uns nämlich immer nur eine

00:05:38: Farbe.

00:05:40: Und die weißen LEDs, die wir benutzen, da ist es ganz clever.

00:05:43: Da könnte man sagen, ja weißes Licht, wissen wir alle, ist ja eine Mischung aus verschiedenen Wellen nennen.

00:05:48: Da ist es so, da habe ich eigentlich blaues Licht.

00:05:51: und habe eine spezielle Schicht, eine Konversionsschicht auf der LED, die dann eben entsprechend verschiedene andere Farben daraus macht.

00:06:00: Jetzt sehen wir ja direkt, wir befinden uns auf so einer micro, kleinen Ebene da, wenn wir so ein bisschen einmal genau in die Zeitmaschine steigen.

00:06:10: Auf wen geht denn die Quantenphysik zurück und welche Entwicklung hat sie so in dieser Zeit jetzt genommen?

00:06:16: Ich meine, wir feiern hundert Jahre Quantenmechanik in diesem Jahr.

00:06:21: Wenn wir so eine kleine Rückschau machen, was erwartet uns da?

00:06:25: Ja, und steig ich meine Historie ein.

00:06:27: Also eigentlich ist die Quantenphysik hundert und zwanzig Jahre alt.

00:06:31: Sie ist nämlich im Jahre nineteenhundert, hat Max Blank eine Publikation gemacht, in der er dann zum ersten Mal ein Phänomen beschrieben hat, was wir heute der Quantenphysik zuordnen.

00:06:41: Und dann nach fünfzehn Jahren haben schlaue Leute die Nobelpreisträger der damaligen Zeit wurden, Albert Einstein natürlich, Max Blank selbst, Schrödinger und die ganzen Leute, die wir aus der Zeit dann kennen.

00:06:54: Die haben dafür gesorgt, dass man verstanden hat, warum das alles so ist, wie es ist.

00:06:58: Also, im Jahr nineteenhundert wurde sie entdeckt, und im Jahr neunzehnundzwanzig hat man sie quasi dann verstanden und konnte man sie physikalisch beschreiben.

00:07:05: Da kommt das Jahr neunzehnundzwanzig her.

00:07:07: Also, da war dann auf jeden Fall ziemlich viel los, wie man jetzt schon so raushört.

00:07:12: Aber wie haben diese Entwicklungen dann die klassische Physik auf den Kopf gestellt?

00:07:15: Oder haben sie das überhaupt nicht?

00:07:17: Doch, das haben sie dann schon.

00:07:18: Aber ich glaube, am Anfang wusste man noch gar nicht, welche Tür man da aufmacht.

00:07:23: Das Ganze ist nämlich gestartet vor hundert und zwanzig Jahren.

00:07:26: Da hat nämlich Max Planck sich analysiert die sogenannte Schwarzkörperstrahlung.

00:07:32: Das ist ein bestimmter Körper, der eben bestimmte Licht, bestimmter Wellenlänge, die man analysiert.

00:07:40: Und man hat dann festgestellt, Diese Schwarzkörperstrahlung kann ich nur dann erklären, wenn ich annehme, dass eben die Energie nicht kontinuierlich verteilt ist, dieser Photon, sondern eben immer nur in bestimmten Portionen, die wir ja quant nennen.

00:07:54: Und Max Blank selber hat gedacht, prima, ich habe quasi so ein Fit-Parameter gefunden, also quasi mathematisch, den ich einsetzen kann in die Formel.

00:08:03: und dann funktioniert das und war ganz happy damit.

00:08:06: Und erst später hat man eigentlich... diese riesige Bedeutung herausgefunden, was das dann für die anderen Gebiete der Physik

00:08:14: ausmacht.

00:08:14: Was wären da dann noch Beispiele, wie sich das Ganze so gegenseitig bedingt, befeuert oder ja?

00:08:21: Also die große Herausforderung, die große Frage zum Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts war ja die, wie ist Die Materie aufgebaut.

00:08:29: Man kannte ja kaum, oder man wusste nicht, dass es Elektronen gibt.

00:08:32: Man hat erst gelernt, es gibt Elektronen, dann gibt es Protonen.

00:08:35: Dann hat man gesagt, okay, Atome sehen aus wie ein Planetensystem.

00:08:40: In der Mitte ist die Sonne, nämlich der Kern, und dann drumrum fliegen Elektronen wie die Planeten.

00:08:45: Aber man hat schnell festgestellt, das stimmt so nicht ganz.

00:08:48: Und da hat man immer tiefer gegraben, um rauszufinden, woraus besteht die Natur?

00:08:53: Und damit ist die Quantenmechanik und auch die Idee von Max Blank dann immer mehr zu der Erkenntnis gekommen, Atome funktionieren nicht in der klassischen Physik.

00:09:03: Ich sagte ja eingehens schon, es gelbt gar keine stabilen Atome.

00:09:07: Die Atome wären so aufgebaut, wenn die Wiedermond um die Erde fliegt, die Elektronen um das Proton in den Kern fliegt, müsste das Elektron in den Kern reinfallen.

00:09:18: Weil eine beschleunigte Ladung, eine Ladung, die im Kreis fliegt, ist immer eine beschleunigte Ladung und die Physik weiß, dass beschleunigte Ladungen strahlen, wie eine Antenne.

00:09:28: Und dann müsste das Elektron immer mehr Energie abgeben bei dieser Strahlung und würde dann irgendwann in den Kern reinfallen.

00:09:34: Das heißt, es gäbe keine stabilen Atome.

00:09:36: Auf gut Deutsch will werden alle nicht da.

00:09:38: Und da das so nicht ist und man aber die Frage stellt, wie ist es denn, hat man dann eben die Idee von Plank mit dem, was man über Atome wusste, dann zusammengebracht und dann passt das.

00:09:48: Der Begriff der Quantenphysik ist ja auch popkulturell ziemlich aufgeladen.

00:09:52: Warum regt sie insbesondere die Fantasie von Science-Fiction-Autor-Innen so sehr an.

00:09:56: und welche Missverständnisse gibt es auch gerade in dem Kontext vielleicht noch, die sich irgendwie hartnäckig halten?

00:10:02: Ja, das Ganze ist natürlich total popkulturell aufgeladen, wenn man so will, mit den Worten beschreiben, weil es gibt einige wirklich fantastische Phänomene in der Quantenmechanik.

00:10:15: Zum Beispiel die Frage, ob es echten Zufall gibt oder nicht.

00:10:19: Ich glaube, wir alle tun uns ein bisschen schwer.

00:10:22: mit dem echten Zufall, wenn man sich jetzt zum Beispiel so ein Würfel betrachtet und denkt, wenn ich jetzt nur genau weiß, wie die Anfangsbedingungen sind, dann kann ich eigentlich im Prinzip mit den Gesetzen der Mechanik vorhersagen, welche Zahl hinterher sozusagen liegen bleibt.

00:10:38: So denken wir wahrscheinlich erstmal natürlich von so einem natürlichen Erfahrungshorizont her, aber dass es jetzt wirklich echten Zufall gibt, der keine Kausalität hat, das ist schon ziemlich... weitreichende Konsequenz.

00:10:53: Das ist ein Thema.

00:10:54: Das andere Thema, was natürlich was Albert Einstein selbst als Spooky bezeichnet hat, ist sozusagen vielleicht später nochmal darauf, wenn man sogenannte verschränkte Quantenbits erzeugt, dass zwischen diesen beiden Cubits eine bestimmte Beziehung besteht und diese Beziehung, die wird schneller ausgetauscht als Lichtgeschwindigkeit.

00:11:15: auch wieder nicht sein darf.

00:11:16: Man kann es auch erklären.

00:11:17: Und das sind bestimmte Dinge, die unser jetziges Weltbild so ein bisschen durcheinander würfeln.

00:11:23: Und deswegen ist das natürlich... Der Raum offen für viel Fantasie.

00:11:27: Ich darf vielleicht auch an der Stelle noch ergänzen.

00:11:29: Auch Einstein konnte sich vieles davon nicht wirklich vorstellen und hatte auch seine Zweifel daran.

00:11:34: Also die Wahrscheinlichkeit, die dann von Max Born und Schrödinger so herangeführt wurde, war für Einstein graus.

00:11:41: Und ich glaube, als Zitat Gott würfelt nicht, ist glaube ich bekannt, weil er gesagt hat, die Natur kann doch nicht funktionieren, indem wir von Wahrscheinlichkeiten reden, wo eigentlich was deterministisch klar vorgegeben es da sein muss.

00:11:55: Wie soll die Welt, wie soll die Physik funktionieren, wenn das so wäre?

00:11:59: Und das war eine der wenigen Irrtümer von Albert Einstein, der dann zu dem, was Peter gerade gesagt hat, zur Quantenverschränkung führte.

00:12:07: Einstein hat versucht.

00:12:08: die Idee von Unschärfe von Wahrscheinlichkeit zu widerlegen und hat quasi damit eine neue Tür aufgeworfen, zu sagen, es gibt Wechselwirkung und die muss nicht lokal an einem Ort sein.

00:12:23: Wenn Quanten verschränkt sind, dann können sie auch miteinander wechselwirken, wenn sie mehrere Kilometer auseinander sind.

00:12:30: Und da sind auch spannende Forschungsthemen heute da.

00:12:32: Peter, du hast es jetzt gerade auch schon mal gesagt, es gibt unterschiedliche Quantenphänomene.

00:12:38: Wenn ihr euch entscheiden müsstet,

00:12:41: was

00:12:41: wahrscheinlich schwierig ist, weil das Thema euch ja ganz generell sehr interessiert, aber welches Quantenphänomen fasziniert euch am meisten?

00:12:50: Also wo steckt ihr selber vielleicht viel Energie rein, um euch dann noch intensiver mit zu beschäftigen?

00:12:56: Oder ergibt die ganze Fragefläche keinen Sinn?

00:12:58: Doch,

00:12:59: durchaus.

00:12:59: Wir wollen ja auch noch ein bisschen über Quanten Computing plaudern.

00:13:03: Und da für die Quanten Computing sind natürlich zwei Effekte total wichtig, nämlich einmal diese Parallelität, also was man so als Superpositionsprinzip betrachtet, dass man nämlich nicht wie bei einem klassischen Bitz entweder nur Null oder Eins sein kann, sondern eben zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit Null sein kann und zu einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig Eins sein kann.

00:13:23: Das ist ein super spannender Effekt.

00:13:25: und die Quantenverschränkung, die Oliver ja auch schon erwähnt hat, dass man quasi wie so eine Art Zwillingspaar erzeugt, zum Beispiel bei Photonen, und die dann sozusagen über den Raum eine besondere Beziehung haben.

00:13:38: Das heißt, wenn ich den Zustand... das einen Messe, dann liegt sich der Zustand des anderen damit automatisch auch fest.

00:13:45: Das sind natürlich ganz interessante Dinge, die auch dann wirklich sehr, sehr nützliche Eigenschaften darstellen, wenn wir zum Beispiel über Quantencomputing reden.

00:13:54: Lass uns doch gerne zu diesem Thema direkt dann rüberwechseln.

00:13:58: Der Begriff des Quantencomputings, den gibt es ja als theoretisches Konstrukt bereits seit dem frühen zwanzigsten Jahrhundert.

00:14:04: Wie haben sich denn da mittlerweile Theorie und Praxis angenähert?

00:14:08: Ja, das Quantencomputing Thema macht riesige Fortschritte.

00:14:12: In allen Laboren der Welt wird an Chips gearbeitet,

00:14:18: auf den

00:14:19: Q-Bits ihrer Arbeit verrichten, also als Abkürzung für Quantenbits.

00:14:23: Und die haben so faszinierende Eigenschaften, dass man bestimmte Rechenaufgaben, und zwar Rechenaufgaben, die sich parallelisieren lassen, die ich also quasi nicht hintereinander durchführen muss, sondern... wo ich quasi parallel arbeiten kann, dass die solche Fortschritte hinsichtlich der Rechengeschwindigkeit machen, dass man dann wirklich wieder eine ganz neue Tür aufstößt an Problemen, die man mit diesen Quantencomputern berechnen kann.

00:14:49: Was wären da so Beispiele?

00:14:50: Also wenn die Dinge parallel ablaufen, heißt das wahrscheinlich leihenhaft übersetzt, dass Rechnungen besonders schnell funktionieren.

00:14:58: Welche Einsatzgebiete werden denn da denkbar?

00:15:00: Oder was gibt es vielleicht heute schon, wo es dann den Einsatz direkt schon findet?

00:15:04: Ja, es gibt tatsächlich schon erste echte Ansätze.

00:15:07: zum Beispiel, wissen wir ja heute, dass zum Verschlüsseln für bestimmte Algorithmen die Prim-Faktor-Zerlegung eine wichtige Rolle spielt.

00:15:17: Und genau die kann man nämlich, oder gibt es schon ganz, ganz leistungsfähige Algorithmen, die wird man dann in Kürze... mit Quantencomputern richtig gut knacken können.

00:15:27: diese Probleme.

00:15:29: Und da sind natürlich alle ein bisschen aufgeregt, weil die herkömmlichen Verschlüsselungsverfahren dann natürlich in Gefahrgeraden, die sind dann mit solchen Quantencomputern leicht zu knacken.

00:15:40: Ja und warum ist das so?

00:15:41: Der Quantencomputer, da ist es halt so, da kann man ganz viele Zustände an Kombinationsmöglichkeiten parallel gleichzeitig mit darstellen.

00:15:53: Und das ist der riesige Unterschied zu einem klassischen Computer.

00:15:56: Da habe ich ja auch bestimmte Ziffernfolgen, Nullen und Einsen, die ich bestimmt kombinieren kann.

00:16:02: Damit kann ich dann auch zwei hoch N unterschiedliche Zustände darstellen, wenn N sozusagen die Anzahl der Bits sind.

00:16:09: Und das heißt, damit können wir auch riesige Zahlen simulieren.

00:16:13: Aber der Punkt ist, ich kann immer nur eine Zahl nehmen, damit eine Operation durchführen, eine mathematische.

00:16:18: und die nächste mathematische Operation und so weiter und so weiter.

00:16:22: Und auch wenn das schon heute sehr schnell stattfindet, aber ich muss sie eben doch hintereinander stattfinden lassen.

00:16:28: Und man kann jetzt zeigen, dass wenn ich eben diesen Zustand oder einen Zustand der Parallelität erreiche, wo ich zum Beispiel zehn Cubits habe, mit denen ich arbeiten kann, dann habe ich schon zwei hoch zehn Möglichkeiten, die ich gleichzeitig darstellen kann.

00:16:43: Jetzt brauche ich nur noch die richtigen Algorithmen, und das ist im Moment noch so... wo man mit Hochdruck dran arbeitet, dann kann man sozusagen diesen Paralismus so ausnutzen, dass man eben nicht mehr die Dinge Schritt für Schritt hintereinander durchführen muss, sondern eben gleichzeitig.

00:16:57: Und das gibt dann für bestimmte Algorithmen unheimlichen Geschwindigkeitsbooster, um es mal sozusagen.

00:17:03: Gibt es noch weitere praktische Anwendungsfelder, in denen man sich dann das Quantencomputing in vielleicht naher Zukunft schon vorstellen kann, wie es zum Beispiel unseren Alltag vereinfachen kann oder ähnliches?

00:17:16: Ja, absolut.

00:17:17: Zum Beispiel, wie wirken Medikamente oder wie falten sich Proteine?

00:17:23: Ich glaube, das Proteinfalten ist ein super Beispiel, weil da habe ich immer viele Hydro-Forbegruppen, also auch immer zwei Zustände.

00:17:31: Und wenn ich die eben hintereinander anwende, dann gibt es eben auch eine wahnsinnig große Anzahl an Möglichkeiten, wie sich so ein Protein falten kann.

00:17:38: Und genau das kann natürlich der Quantenrechner dadurch, dass er parallel arbeitet, der denkt quasi alle Strukturen, die möglich sind.

00:17:46: gleichzeitig und nicht hintereinander.

00:17:49: Und das gibt natürlich gerade zum Beispiel bei der Fragestellung, wie faltet sich ein Protein mit einer bestimmten Struktur sozusagen, kann man damit dann viel schneller lösen als dann mit einem herkömmlichen Rechner.

00:18:01: Dadurch, dass wir nicht so viel Speicher brauchen, ist es einerseits auch Ressourcensparen da.

00:18:06: Ich kann nämlich komplizierte Rechnungen mit viel weniger K-Bytes machen.

00:18:10: Als Beispiel, wir sind mit weniger K-Bytes.

00:18:13: Ich glaube sogar mit einem Kilobyte sind wir zum Mond geflogen.

00:18:16: Heute würde man mit einem Kilobyte nicht mal eine Homepage aufkriegen.

00:18:20: Und der Quantencomputer kann aber eben mit weniger K-Bytes... komplizierte Rechnungen machen, was einmal Ressourcen spart.

00:18:26: Und wenn man dem natürlich gegenüberstellen muss, der Quantencomputer, um ihn zu betreiben, braucht natürlich derzeit viele Ressourcen.

00:18:34: Die derzeitige Realisierung passiert bei tiefen Temperaturen und die muss man natürlich erst herstellen, das kostet Energie.

00:18:41: Aber es sind Perspektiven da, um den Quantencomputer auch zum Beispiel bei Raumtemperatur stattfinden zu lassen.

00:18:48: Und dann werden wir wieder bei CO² und Ressourcen sparen.

00:18:51: Also das ist ja auch immer so ein, wenn man jetzt an die künstliche Intelligenz denkt, zum Beispiel so ein Kritikpunkt, dass die unglaublich viel CO² in die Atmosphäre pustet.

00:19:00: Und das wäre dann beim Quantencomputer höchstens durch die Kühlung der Fall sozusagen, das Ding an sich nicht.

00:19:07: Aber das klingt alles auf jeden Fall ja alles sehr groß und kompliziert.

00:19:13: Also ich versuche mir das gerade so ein bisschen vorzustellen und denke so an... Diese ersten Computer, die halt so riesen Rechenzentren oder sowas waren, wie sieht denn so ein Quantencomputer eigentlich aus?

00:19:25: Also im Moment ist das natürlich auch nichts für ein Laptop oder für Smartphone.

00:19:30: Erst mal die tiefen Temperaturen, die ich schon erwähnt habe, lassen sich natürlich nicht bei uns zu Hause realisieren.

00:19:35: Im Moment ist der Status einfach der, dass Quantencomputing wird als Cloudcomputing zur Verfügung gestellt.

00:19:41: Ich habe quasi mein Smartphone, mein klassischen elektronischen PC in der Hand und muss mich dann quasi auf einem Quantencomputer einwählen, habe einen Algorithmus, den ich lösen möchte und den schicke ich da hin und kriege die Antwort.

00:19:54: quasi auf meinem klassischen PC ist das Endgerät, aber ich rechne auf dem Quantencomputer.

00:19:59: Das ist die derzeitige Aussicht und so wird das auch derzeit praktiziert.

00:20:03: Die Zukunft kann natürlich dann sein, so wie du das jetzt gerade gesagt hast.

00:20:07: Früher hat man Computer auch gebaut, da waren das noch Diodenröhren, waren riesengroß und die Zukunft für das Jahr zweitausend wurde für hergesagt.

00:20:14: Ein Rechner braucht dann so ein ganzes Gebäude, um komplizierte Rechnungen zu machen, aber was kamen?

00:20:23: Computer immer kleiner und heute haben wir ein Computer in der Hand und ich denke sowas wird in den nächsten Jahrzehnten sicher auch im Quanten Computing stattfinden.

00:20:32: Der Übergang von der Rühre zum Transistor war ja extrem erfolgreich.

00:20:38: und wenn man sich jetzt vorstellt, dass man den Transistor nicht diskret aufbaut, also quasi einen einzelnen Transistor in die Hand nimmt, sondern einen Transistor zu Millionen auf ein Chip aufbaut, dann sprechen wir von den integrierten Schaltkreisen.

00:20:55: Und da gibt es ja das sogenannte Mursche-Gesetz.

00:20:58: Und das sagt einfach, dass man auf die gleiche Fläche alle zwei Jahre die doppelte Funktionalität unterbringen kann.

00:21:07: Und das Interessante ist, dass das Mursche-Gesetz jetzt schon über mehrere Dekaden funktioniert.

00:21:11: Und jetzt kommen wir aber zu einem Punkt, wo man eben sieht, das Ganze geht so in Richtung Nanometer große Strukturen, also zehn auch minus neun Meter.

00:21:19: Und jetzt sieht man schon, okay, jetzt kann man schon am Horizont sehen, wenn diese Entwicklung noch vier, fünf Jahre so weitergeht, dann sind wir vielleicht bei einzelnen Atomen.

00:21:28: Und dann merkt man, aha, dann nimmt diese Entwicklung geht dann auch irgendwie in die Sättigung.

00:21:33: Und dann, das ist immer ein spannender Zeitpunkt in der Technik, weil dann kommen neue Ideen, die am Anfang weniger Performance haben für den gleichen Preis, aber dafür das Potenzial beinhalten, sich wieder richtig weiterzuentwickeln.

00:21:47: Genau so einen spannenden Zeitpunkt haben wir jetzt, genau jetzt gerade.

00:21:50: Und im Grund genommen hat Peter auch gesagt, die Quantenphysik macht nämlich diese Grenze.

00:21:55: Wir können die Strukturen nicht immer kleiner machen, Peter hat es jetzt gesagt, man sind nur in Atomengröße, aber selbst wenn wir da noch nicht angekommen sind, Elektronen bewegen sich auf Leiterbahnen, um einen klassischen Computer zu betreiben.

00:22:08: Irgendwann, wenn man die immer kleiner macht, fängt das Elektron aber an eine Welle zu sein und will nicht mehr auf dieser Leiterbahn gerade ausfliegen, sondern ist mal auf der einen Leiterbahn und mal auf der anderen Quantenzustände.

00:22:21: Und den funktioniert der klassische Computer auch nicht mehr, weil er eben nicht mehr null und einsen im klassischen Computer Sinne zählen kann, weil das Elektron gar nicht mehr auf seiner Leiterbahn bleiben will.

00:22:32: Das ist eben dann auch die Grenze der Quantenphysik für das Murschegesetz, für den klassischen PC.

00:22:39: Also man kriegt den auch gar nicht kleiner, speicherdichter, effektiver.

00:22:44: Und da würde sowieso dann der Quantencomputer sagen, na dann mache ich doch gerade mal die Rechnung eben auf der Quantenseite, wenn die Quantenphysik sowieso schon dem Elektron quer schießt, um mal so ganzer Lob zu formulieren.

00:22:54: Also müsste man da auf die nächste große Revolution warten, sozusagen?

00:23:00: Nein, gar nicht warten, sondern im Grunde löst der Quantencomputer... den klassischen PC ab, weil die Quantenphysik dem klassischen PC im Sinne des Murschengesetzes eine Grenze setzt.

00:23:13: Das ist quasi die Entwicklung, in der wir gerade drin stecken.

00:23:16: Wir sind ja eine Art so einem Turning Point, wie man das so schön nennt.

00:23:18: Wobei man natürlich auch sagen muss, dass der Quantencomputer den klassischen Computer auch noch braucht benötigt.

00:23:26: Also die beiden, die arbeiten noch ein bisschen zusammen, aber für diese Aufgaben, wo man eben jetzt sehr viel Rechenzeit benötigen würde, da kommt dann eben dieser Teil Quanten Computing ins Spiel, an denen ich diese Aufgabe auslager und das Ergebnis für ich dann hinterbindem klassischen Computer zusammen, also dann speichere ich am Ende doch wieder alles in Bits und Bytes, aber dazwischen dieser Booster, dieser Geschwindigkeitsbooster, der wir dann mit den Quanten Bits, mit den Cubits stattfinden.

00:23:56: Wenn wir den Blick dann jetzt mal ganz konkret hier auf unsere Hochschuler lenken, wie werden diese Themenbereiche hier in der Lehre, in der Forschung behandelt?

00:24:06: Also für uns beide, wir sind ja in einem Mindstudiengängen verankert, Materialwissenschaften und Bionik für mich und die Mechatronik für Peter.

00:24:14: Derzeit haben wir das... sehr klein und sehr flach gehalten, also nur das, was die Studierenden wirklich brauchten.

00:24:21: Was ich vorhin sagte, Wechselwirkung liegt mit Materie, dass da Photonen sind.

00:24:26: Aber jetzt, weil die Zukunft eben immer mehr Quantenphysik und auch Quantenphänomene braucht in der Technologie Quantencomputer, wir werden auch neue Messtechnik kriegen, die eben dann auf ganz feinste Genauigkeit miss.

00:24:39: Und im Grunde sind das alles Quanten basierte Messsysteme, Sensorik.

00:24:45: Und deswegen wird das für unsere Studierenden natürlich auch immer wichtiger.

00:24:49: Das ist das eine.

00:24:50: Der zweite Aspekt ist natürlich auch, jetzt speziell für den Studiengang, in dem ich drin bin, Materialwissenschaften, einfach das Materialien funktionieren, wie sie funktionieren, dass man neue Materialien entwickelt.

00:25:04: braucht man die Quantenphysik, denn nur so funktionieren Materialien.

00:25:08: Wie ich Eingang sagte, dass die Leitfähigkeit von Metallen ist ein Quantenphänomen.

00:25:13: Und um das zu verstehen, müssen unsere Studierenden eben auch an diese Welt der Quantenphysiker rangeführt werden.

00:25:19: Und dann sind wir auch wieder bei dem Punkt, was Peter gesagt hat.

00:25:22: Jetzt haben wir auch den Quantencomputer.

00:25:25: Und da würde ich jetzt sagen, Peter, warum ist das für unsere Studierenden denn so wichtig, dass sie auch den Quantencomputer verstehen?

00:25:31: Ja.

00:25:32: Und ich glaube, das ist fast der richtige Zeitpunkt, wo ich die Frage, die von Eingangs auflöse.

00:25:37: Nämlich, was macht jemand mit Lehrgebieten mechatronik?

00:25:40: Warum beschäftigt der sich mit Quantencomputern?

00:25:43: Und die Antwort ist ganz einfach.

00:25:45: Die ist nämlich genau in die Richtung, die Oliver schon angesprochen hat, wenn wir nämlich mal mechatronik uns anschauen, wo wir ja ein interdisziplinären Studiengang haben, wo ja Maschinenbau drin ist, Elektrotechnik und Informatik.

00:26:00: Dann haben wir spätestens mit dem Bereich Informatik werden wir sehen, dass auf jeden Fall die Studierenden, die hier ausgebildet werden, die hier bei uns studieren, die werden in ihrem Berufsleben früher oder später mit Quantenalgorithmen konfrontiert.

00:26:12: Und ich glaube im Bereich Sensorik wird diese Konfrontation im positiven Sinne wahrscheinlich noch viel früher stattfinden.

00:26:19: Insofern haben wir uns mal überlegt, dass wir jetzt in diesem Semester, haben wir jetzt die erste Lehrveranstaltung gestartet.

00:26:26: Quantenmechanik und Quantencomputing und zwar als Praktikum, das sind wir ganz stolz drauf, weil wir nämlich hier wirklich, man kann sich gar nicht vorstellen, praktisch gearbeitet haben.

00:26:35: Die Studierenden haben nämlich von uns ein sogenanntes interaktives Skript bekommen.

00:26:39: In dem Fall ist das ein Skript, was mit der Programmiersprache Matlab funktioniert und das ist ein Skript, wo quasi Text drin steht, Formeln, Aufgabenstellungen und in diesem Skript können die Studierenden direkt kleine Aufgaben lösen.

00:26:53: zum Beispiel so eine Matrixmechanik durchführen, Matrix mal Vektor und dann mal schauen was passiert oder mal Eigenwerte berechnen und das sind alles Dinge die wir dann so in einem Formatpraktikum jetzt gestartet haben.

00:27:07: und im Wintersemester schauen wir auf eine Lehrveranstaltung dann für die Mechatronikerinnen.

00:27:14: Da geht es dann um Algorithmen, typischerweise Algorithmen, wie man sie dann heute in der Quanten Computing schon einsetzt.

00:27:21: also angefangen von so einem Algorithmus nach Deutsch oder der Schor-Algorithmus oder der Groover-Algorithmus, wo man dann bestimmte Aufgaben eben mit einem bestimmten Algorithmus löst und so einsteigt in die Welt der Algorithmen, wie kann ich also mit Quanten Cubits dann auch rechnen.

00:27:38: Und das ist ja für viele Studierende auch immer eine Herausforderung.

00:27:42: Die Idee, dass man sagt, die klassische Physik arbeitet so, ich habe eine Größe, die ist zum Beispiel die Kraft.

00:27:49: Und ich weiß, die Kraft messe ich in Newton.

00:27:51: Und dann ist das klar, wenn ich eine Messung durchführe, kriege ich ein Ergebnis, Null, fünf Newton und weiß, das ist die Kraft.

00:27:58: Und das ist eben der Punkt, wo neunzehnzwanzig die Physiker zusammenkamen, haben gesagt, das gilt für die Quantenmechanik nicht mehr.

00:28:05: Für die Quantenmechanik muss sich die physikalische Größe von dem eigentlichen Messwert trennen.

00:28:11: Und so ist quasi für die physikalische Größe eine Matrix erfunden worden, nicht zu verwechseln mit den Matrizen des Quantencomputings, sondern es sind andere Matrizen.

00:28:20: Quantenmechanik wird gerne als Matrizenmechanik bezeichnet.

00:28:23: Physikalische Größen werden zu einer Matrix.

00:28:26: Und die Eigenwerte dieser Matrix, das sind dann nur noch die Messgrößen, die ich messen kann.

00:28:32: Und das macht es natürlich komplizierter, weil ich physikalische Größe und Messwert trennen muss.

00:28:37: Und weil Matrizen nicht miteinander vertauschen, habe ich genau das Phänomen, die Messung von Ort und Geschwindigkeit von Ort.

00:28:46: Und wohin das Teilchen fliegt, sind ja, laut Quantenmechanik, nicht gleichzeitig genau messbar.

00:28:53: Und in den Matrizen steckt das drin.

00:28:54: Matrizen darf man nicht miteinander vertauschen.

00:28:57: Und das heißt, eine Messung kann ich auch nicht miteinander vertauschen.

00:29:00: Und so kam eben die Quantenphysik zur Matrixphysik.

00:29:04: Weil die genau den gleichen mathematischen, ja wie soll man das nennen, mathematischen Hintergrund hat dieser Nicht-Vertauschbarkeit, dieser nicht gleichzeitig Messbarkeit.

00:29:14: Und das war eben vor hundert Jahren fertig, diese Idee.

00:29:18: Und das ist das Jubiläum, was wir dieses Jahr feiern.

00:29:20: Dass man verstanden hat, wie Quantenmechanik, Quantenphysik funktioniert und dass ich eben Matritzenphysik machen muss, um Quantenmechanik zu beschreiben.

00:29:29: Ja, und die berechnen wir jetzt ganz konkret bei uns im Praktikum.

00:29:32: Und das ist ein tolles Gefühl.

00:29:33: Also wir haben neulich zusammen eine Aufgabe mal entwickelt.

00:29:36: Ja, und da haben wir uns richtig gefreut, haben gedacht, okay, das sind die Abbildungen im Lehrbuch und die machen wir jetzt eben mit der mit den Matritzen.

00:29:44: Und das hat richtig Spaß gemacht.

00:29:46: Ich hoffe, nach der Rückmeldung des Studierenden hat es ihnen auch Spaß

00:29:49: gemacht.

00:29:50: Und es führt ja eben die Studierende, wie Peter eben schon sagte, nicht so trocken.

00:29:53: Ich kenne das aus meiner Studentenzeit.

00:29:55: Quantenmechanik war was ganz Trockenes.

00:29:57: Damals noch an der Tafel, in der Kreidezeit, wie wir das so schön in Salon nennen, also mit der Kreide noch an die Dare gemalt haben.

00:30:05: Es war sehr trocken.

00:30:06: Man konnte es nicht sehen.

00:30:08: Wenn man es nicht verstanden hat, man hat gesagt, wie kann die Natur so funktionieren?

00:30:13: Einmal diese interaktiven Skripte führen uns an diese Mathematik, an diese Beschreibungsform heran.

00:30:19: Und der nächsten Schritt, den wir auch in der Hochschule gehen, ist, wir wollen auch im Labor das mal aufbauen.

00:30:24: Dass man Cubits mal sieht, beziehungsweise auch die Verschränkung von Zuständen.

00:30:29: Und mit Licht, wie wir vorhin schon gesagt haben, Photonen geht das eben auch sehr gut.

00:30:33: Dass wir das auch im Labor als Experiment aufbauen, sodass wir die Kette quasi zwischen Vorlesung, Theorie, interaktives Skript, Computerpraktikum, Quantencomputing und letztendlich auch Phänomen im Labor quasi alles zusammenführen.

00:30:48: Und das gibt natürlich für unsere Studierenden dann eine... besser herangehensweise im Sinne von begreifen.

00:30:54: Sie können im Labor auch mal Quantenphysik begreifen, wobei in Anführungsstrichen ist ja der Mikrokosmos.

00:31:00: Bei Photonen kann man es gerade noch sehen.

00:31:03: Mit Begreifen ist natürlich vorsichtig umzugehen.

00:31:06: Bei Quanten kann man nicht greifen, die sind zu klein.

00:31:09: Wenn wir jetzt dann sagen, das macht man ja gerne bei Geburtstagen zum Beispiel auf die nächsten hundertfünfundzwanzig Jahre, auf welche Entwicklung in diesem Bereich müssen wir uns denn einstellen, also vielleicht einerseits hier an der Hochschule oder auch ganz allgemein.

00:31:24: Die Frage ist natürlich super, wobei wir müssen begreifen, dass das Wissen der Wissenszuwachs eben nicht linear stattfindet.

00:31:32: Das heißt die nächsten hundertfünfundzwanzig Jahre Da ist nicht linear mehr vorhanden, sondern eben exponentiell.

00:31:39: Und insofern, glaube ich, würde ich schon sagen, da reicht schon der Blick in die nächsten twenty-fünf Jahre, Oliver, oder?

00:31:44: Ja,

00:31:45: da wird sich viel tun.

00:31:46: Ich meine, wir brauchen ja nur die letzten hundert Jahre zu sehen.

00:31:49: Von der Idee, ich habe einen Fit-Parameter zu einer neuen Physik, ersten twenty-fünf Jahre.

00:31:55: Die nächsten fünfundzwanzig bis fünfzig Jahre sind völlig neue Materialien erfunden worden.

00:32:01: Wir gehen anders an das Verständnis der Welt dran durch die Quantenphysik.

00:32:05: Das berührt ja dann auch an philosophischen Aspekt.

00:32:08: Wenn Wahrscheinlichkeit da ist, ist die Zukunft überhaupt vorhersehbar.

00:32:12: Aber das ist jenseits der Physik.

00:32:15: Aber es ist ein interessanter Aspekt.

00:32:16: und wenn man das jetzt weiterspint, dann wird ja in den nächsten fünfundzwanzig Jahren vom Potenzial her so viel Neues durch Quantenphysik möglich werden, dass wir uns das, glaube ich, heute nur schwer vorstellen können.

00:32:27: Ja, auf jeden Fall kann man schon sagen, dass es auf jeden Fall auch möglich sein wird, abhörsichere Leitungen zu bauen.

00:32:33: Zum Beispiel mit dem Prinzip der Quantenverschränkung.

00:32:36: Quantenverschränkung,

00:32:36: genau.

00:32:37: Man kann zwar merken, dass man abgehört wird, aber dann hört man eben im Senden auf.

00:32:41: wenn man verändert den Zustand des Signals quasi.

00:32:45: Und das kann man detektieren.

00:32:47: Damit, sagt man, okay, hier ist einer in der Leitung.

00:32:49: Und wir werden Aufgaben eben, wo man bislang sehr viele Zustände berechnen musste, eben auch eben durch die Parallelität hier des Verfahrens eben auch knacken können.

00:33:00: Also neue Medikamente-Design, bestimmte... in der Logistik, Routenplaner extrem effizient machen können.

00:33:09: Dieses Problem des Handelsreisenden wird man dann ganz locker vor der Frühstückspause mit dem Quantencomputer berechnet haben, wo man heute noch ganz lange Rechenzeiten für benötigt.

00:33:19: Für die Zukunft wird es auch so sein, die Kombination zwischen künstlicher Intelligenz und Quantencomputing ist auch eine spannende Herausforderung.

00:33:26: Die künstliche Intelligenz hilft uns auch bei Datenanalyse,

00:33:31: bei

00:33:32: Lösungsalgorithmen finden, die wir heute dann wieder auf einen klassischen PC überführen.

00:33:36: Aber wenn Sie das jetzt kombinieren, Quanten, Computing mit KI, dann sind das auch sehr spannende Zukunftsfaspektiven.

00:33:43: Absolut.

00:33:44: Und damit wir da als Menschen noch durchblicken, das könnte nämlich relativ schwierig werden, ist ein Ansatz, den wir beiden hier auch durchführen, unsere Ergebnisse immer noch auf Plausibilität prüfen zu können.

00:33:55: Also vielleicht gar nicht mehr auf das genaue Ergebnis, aber zumindest ist das Ergebnis plausibel.

00:34:01: Ich glaube, da werden wir viel Energie drauf aufwenden und das gehört auf jeden Fall mit zum Konzept hier.

00:34:07: Also praktisch arbeiten und Ergebnisse auf Plausibilität

00:34:11: prüfen können.

00:34:12: Und auch für unsere Studierende ist das wichtig, dass wenn man mit dem Medium Computer umgehen lernt, gilt jetzt auch schon in den ganzen Lehrveranstaltungen, dass ich immer wieder mir vorher Gedanken machen muss, was ist das Ergebnis meiner Überlegung und dann nehme ich KI als Hilfe oder um mir was zu erleichtern.

00:34:30: Der Quantencomputer wird das Ganze beschleunigen und aber immer noch die Frage, wie Peter gerade gesagt hat, aufwerfen.

00:34:37: Ist das Ergebnis richtig, um das mal ganz einfach zu formulieren?

00:34:41: Kann ich mich da blind drauf verlassen?

00:34:43: Und die Antwort ist pauschal erstmal nein.

00:34:45: Ich muss prüfen, ob das sinnvoll mein Problem, was ich an die KI als Frage gestellt habe, auch löst.

00:34:53: Und richtig löst und insbesondere auch vollständig löst.

00:34:57: Und das ist der Herausforderung sowohl für die Zukunft der Gesellschaft als auch natürlich für unsere Studierende.

00:35:03: Die müssen lernen, damit umzugehen.

00:35:05: Ja, also unsere Studierenden haben ja schon das große Glück, sich mit dieser spannenden Thematik zu beschäftigen.

00:35:11: Aber Peter, was würdest du jungen Leuten sagen, die sich vielleicht für ein Mensch-Studium interessieren, aber sich vielleicht noch nicht ganz so sicher sind?

00:35:20: Ja, da würde ich gerne nochmal zurückblicken.

00:35:23: Hier, wir haben ja gesagt, hundert Jahre Quantenmechanik und da gibt es eine schöne Geschichte von Max Blank.

00:35:30: Max Blank war also ein sehr begabter Schüler und er hat dann auch überlegt, was soll ich studieren?

00:35:35: und hat seine Lehrer gefragt und einige von den Lehrern haben gesagt, ach, Physik, da ist ja schon fast alles bekannt, bis auf ein paar kleine Unstimmigkeiten.

00:35:45: Und eine Unstimmigkeit war zum Beispiel diese Erklärung der Schwarzkörperstrahlung.

00:35:49: Und wenn man sich im Nachhinein überlegt, welche Tor und Tür da aufgestoßen wurde, das ist so faszinierend.

00:35:55: Und diese Faszination, die würde ich dann eben auch gerne so ein bisschen den jungen Leuten mitgeben, die jetzt überlegen, ein Minstudium aufnehmen oder nicht.

00:36:04: würde ich auf jeden Fall sagen, total coole Sache, was da passiert in den nächsten Jahren.

00:36:08: Seid mit dabei, lasst euch die Geschichte von Max Blank nochmal Revue passieren und dann trefft eure Entscheidung.

00:36:16: Wir freuen uns auf euch.

00:36:17: Ja, ich finde, das ist auf jeden Fall ein sehr starkes Plädoyer für den Mentbereich.

00:36:22: Mir bleibt an dieser Stelle nur noch zu sagen, vielen Dank, dass ihr euch die Zeit genommen habt, mich einmal in die Welt der Quantenphysik zu entführen.

00:36:30: Ich hoffe, es hat euch so viel Spaß gemacht wie mir.

00:36:33: Und ganz genau, vielen Dank und bis zum nächsten Mal.

00:36:36: Ja, wir bedanken uns natürlich auch dafür, dass du uns heute die Gelegenheit gegeben hast, hier die Quantenphysik vorzustellen.

00:36:43: Ja, Marc, vielen Dank.

00:36:44: Und wie gesagt, wenn Anfragen kommen, lass uns das wissen, dann machen

00:36:48: wir ein Follow-up-Termin

00:36:49: mit dir, gerne.

00:36:50: Da bleiben wir auf jeden Fall dran.

00:36:51: Dankeschön.

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