Quantum Vibes - Promotionsstelle im Fachbereich Wirtschaft für Forschung im Bereich Finanzmärkte mit Hilfe theoretischer Werkzeuge der Quantenphysik

von Prof. Dr. Christoph Gallus

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Quantum Vibes - ein vielleicht seltsamer Titel für den oft mit Zurückhaltung beäugten Bereich der Quantentheorie, die einerseits die Grundlage für moderne Kommunikationstechnologien, Messverfahren und Computer liefert und dabei die wohl am besten experimentell bestätigte Theorie darstellt, die aber gleichzeitig immer noch von philosophischen Rätseln durchdrungen ist. Die sich derzeit erst entwickelnden neuen Quanten-Technologien der zweiten Generation, die letztlich auf dem Konzept der Verschränkung beruhen, haben dabei das Potential, das Berufsleben der Studierenden des Fachbereichs noch signifikant zu beeinflussen. In philosophischer Hinsicht ist die Deutung der Quantentheorie auch fast hundert Jahre nach ihrer Entstehung nicht wirklich verstanden, Schrödingers Katze lässt immer noch grüßen.

Deutschland ist beim Thema Quanten derzeit noch nicht so stark engagiert, wie es wünschenswert wäre. China und die USA sind vorne dabei, was mit Blick auf die zwischen den beiden Nationen aufkeimenden Rivalitäten und dem daraus resultierenden Wunsch, neue und überlegene Technologien zu entwickeln, nicht weiter überraschend ist. Überraschender ist hingegen, dass die kleinen Alpenstaaten Österreich und Schweiz ein beachtliches Engagement zeigen. Auch dort lassen sich entsprechende Technologien entwickeln und sogar Experimente, die gewisse philosophische Implikationen der Quantentheorie bestätigen, praktisch durchführen. Österreich erzielte dabei in diesem Jahr einen weithin sichtbaren Erfolg: Professor Anton Zeilinger, der in Wien lebt und forscht, wird im Dezember für seine grundlegenden Experimente zu Quantenteleportation und Verschränkung als einer der neuen Nobelpreisträger in Physik des Jahres 2022 gewürdigt werden.

Es passiert also einiges, und ein wenig auch in Deutschland und an der THM. Der Reihe nach: Zunächst begann das Jahr 2022 mit einem Vortrag im Januar von Accenture zum Thema „Machine Learning in the Quantum Computing Era“. Dieser fand im Master Digital Business (Modul 2402) statt, wo erstmalig Quantentechnologien als Sonderthema im Lehrstoff behandelt wurden. Frau Stephanie Cichon und Herr Dean Smith hielten als Spezialisten von Accenture, begleitet von drei eher recruiting-orientierten Accenture-Mitarbeitern, einen spannenden Vortrag, der Quantum Computing als künftigen Ausweg darstellt, sobald die konventionelle Miniaturisierung der Chips an ihre physikalischen Grenzen stößt und das Moorsche Gesetz ausgereizt ist. Quantum Computing bietet eine völlig neue Herangehensweise mit einem Ansatz, der sich fundamental vom klassischen Computer unterscheidet. Während klassische Computer auf separaten Bits beruhen, die jeweils nur einen von zwei möglichen Werten annehmen können, liegt der Trick beim Quanten Computing in der Verwendung von Qubits, die untereinander durch sogenannte Verschränkung verbunden sind. Die Verschränkung von Zuständen ermöglicht es, verschiedene Problemlösungswege simultan zu behandeln und am Ende so geschickt auszulesen, dass nur die beste Lösung als Endzustand übrigbleibt. Mit diesem Ansatz lassen sich komplexe Systeme effizient simulieren, Bilder analysieren und optimale Lösungen zu Problemen des maschinellen Lernens schnell ermitteln. Die Möglichkeiten aus der Kombination von Digitalisierung, künstlicher Intelligenz mit leistungsfähigen, fehlertoleranten Quantencomputern (die es derzeit aber noch nicht gibt) wären revolutionär.

AdobeStock 402858882 Quantencomputer bearbeitet V2QuantencomputerDanach folgten im Laufe des Jahres drei internationale Konferenzen mit Beiträgen von Herrn Professor Christoph Gallus. Zum einen ein Vortrag auf der QIP22, einer Konferenz mit dem Thema Quantum Information and Probability: from Foundations to Engineering. Dieser fand im Juni in Växjö (Schweden) statt und behandelte Anwendungen der sogenannten Bell-Ungleichungen. Dabei handelt es sich um eine Methode, die im Bereich der quantenmechanischen Grundlagenforschung entwickelt wurde, die sich aber prinzipiell auch auf makroskopische Systeme, beispielsweise im ökonomischen Bereich, anwenden lässt. Im weiteren Verlauf des Jahres folgten Beiträge auf der Causalworlds Conference, die im September in hybrider Form an der ETH Zürich durchgeführt wurde, und unmittelbar danach auf der Konferenz TQT22 (Time in Quantum Theory), die direkt im Anschluss in Wien in Präsenz stattfand. Hier wurden im Beitrag von Professor Gallus jeweils Möglichkeiten und Begrenzungen für die kausale Erklärung von experimentellen Befunden zur Verschränkung diskutiert. Ende Oktober 2022 konnte dann auch die Finanzierung für eine Promotionsstelle in diesem Themenbereich für den Fachbereich Wirtschaft gesichert werden, die im Jahr 2023 besetzt werden soll. Bei den geplanten Forschungsaktivitäten am Fachbereich Wirtschaft geht es nicht um die Anschaffung teurer Quantencomputer, sondern um die Übertragung von theoretischen Werkzeugen aus der Quantenphysik auf andere komplexe Systeme, wie sie die Finanzmärkte darstellen. Werkzeuge der kausalen Modellierung, insbesondere die Bell-Ungleichungen, sollen dabei künftig helfen, Finanzmarktdaten zielgerichteter auszuwerten.

 

Was ist eigentlich das Besondere an der Verschränkung? Es handelt sich um ein Phänomen, das es in der Alltagswelt nicht gibt. Die Kombination von echter Unvorhersagbarkeit und perfekter Korrelation bildet den Kern der Verschränkung. Zwei miteinander verschränkte Teilchen verharren so lange in einem undifferenzierten Überlagerungszustand, bis an einem der beiden Teilchen eine Messung durchgeführt wird, im selben Moment nimmt auch das andere Teilchen automatisch einen definierten Zustand ein, wobei die Natur irgendwie sicherstellt, dass Erhaltungssätze für die Summe der Messwerte nicht verletzt werden. Das funktioniert unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. „Einsteins Spuk“, wie Professor Zeilinger, der manchmal wegen seiner Experimente zur Quantenteleportation auch den Spitznamen „Mr. Beam“ trägt, sein populärwissenschaftliches Buch zum Thema betitelte. Philosophisch ist dies interessant, weil es einen experimentell nachweisbaren, instantanen Zusammenhang zwischen an sich zufälligen Messwerten für Teilchen zeigt, die voneinander räumlich weit entfernt sein können. Damit wird das traditionelle Weltbild einer lokal modellierbaren physikalischen Realität in Frage gestellt.

Auf frühere Fragen, wozu seine Arbeit praktisch gut sei, antwortete Anton Zeilinger salopp „Ich kann Ihnen ganz stolz sagen, das ist für nichts gut“. Diese Antwort war in den Zeiten, in denen die Experimente erstmals durchgeführt wurden, durchaus zutreffend. Mittlerweile erschließen sich mit Quantum-Communication, -Computing, -Simulation, -Metrology etc. verschiedene Technologien und potentielle Anwendungsfelder und auch die europäische Kommission hat ein entsprechendes Quantum Technologies Flagship Project ins Leben gerufen. Unter den Anwendungsfeldern bilden die Quantenverschlüsselung bzw. das Quanteninternet das für die unmittelbare Zukunft am weitesten fortgeschrittene breite Anwendungsfeld. In China hat man abhörsichere Quantenkommunikation bereits über tausende von Kilometern realisiert. Anders als bei den gängigen Verschlüsselungsverfahren im heutigen Internet, die letztlich auf der Annahme beruhen, dass ein Spion ein schwieriges Problem, wie etwa die Zerlegung einer großen Zahl in ein Produkt von Primzahlen, nicht lösen kann und somit an den geheimen Schlüssel nicht herankommt, liefert die Verschränkung eine durch Naturgesetze fundamental abgesicherte Abhörsicherheit. Wenn zwei Personen über verschränkte Teilchen kommunizieren, so zerstört bereits der Abhörversuch zwangsläufig die Verschränkung zwischen den Teilchenpaaren, was die empfangsberechtigten Personen an ihren Messgeräten ablesen können.

Es zeigt sich einmal wieder, dass die Arbeit an grundlegenden Fragen auch zu unerwarteten Technologien führen kann. Auch in der deutschen Wirtschaft nimmt das Interesse an Quantenthemen erfreulicherweise zu. An der THM war diesbezüglich nicht nur der zuvor erwähnte Vortrag von Accenture am Fachbereich Wirtschaft interessant. Kollegin Frau Professor Just vom Fachbereich MNI organisierte im Juni 2022 zwei spannende Quantentage an der THM, in der unter anderem Praktiker von Deutsche Bahn und Deutsche Telekom, genauer gesagt von der DB Systel GmbH und von T-Systems, zum Thema vorgetragen haben.

Die Expertise der Hochschulen für angewandte Wissenschaften ist mittlerweile auch gefragt, wenn es darum geht, das Thema Quantencomputing einem breiteren Publikum zu vermitteln. So bietet das Open HPI (die Plattform für Massive Open Online Kurse des Hasso Plattner Instituts in Potsdam) derzeit mehrere Lehrvideos für Einsteiger an, die unter Beteiligung der THM entstanden sind.

Schrödingers Katze ist also in Deutschland einerseits durchaus lebendig, andererseits aber auch noch nicht lebendig genug. Wie es mit den Quantum Vibes weiter geht, wird sich zeigen.

Qubit concept representation. Visualization of quantum bit, vector concept