Mit vollem Einsatz im Sport und in der Wissenschaft

Wenn Bettina Heim etwas macht, setzt sie sich voll daf¨¹r ein. Bis vor wenigen Jahren galt ihr Einsatz dem Eiskunstlauf. Sie wurde Schweizer Meisterin, nahm an Weltmeisterschaften teil und absolvierte erfolgreich eine Ausbildung zur Trainerin. Vor gut drei Jahren h?ngte sie ihre Schlittschuhe an den Nagel, seither studiert sie an der ETH Z¨¹rich Physik ¨C und auch dies mit vollem Engagement: F¨¹r eine Semesterarbeit im Bachelorstudium, eine im Regelfall ¨¹berschaubare Arbeit, die drei Wochen in Anspruch nimmt, setzte sie sich so sehr ein, dass sie ihre Ergebnisse nun in der renommierten Fachzeitschrift Science ver?ffentlichen konnte.

Gewiss, Bettina Heim w¨¹rdigt im Gespr?ch das Team von Matthias Troyer, Professor f¨¹r Computational Physics, in dem sie die Arbeit durchf¨¹hrte. Ihre Kollegen h?tten sie hervorragend unterst¨¹tzt und einen wesentlichen Teil zur Arbeit beigetragen, sagt sie. Dennoch ist es aussergew?hnlich f¨¹r eine Wissenschaftlerin oder einen Wissenschaftler, die allererste Fachpublikation der Karriere an derart prominenter Stelle ver?ffentlichen zu k?nnen, dazu noch im Alter von 26 Jahren und w?hrend des Bachelorstudiums. ?Ich musste mehr als 30 Arbeiten ver?ffentlichen, bis eine von einer Zeitschrift mit solch hohem Renommee angenommen wurde. Damals war ich 34-j?hrig?, sagt ETH-Professor Troyer, der die begabte Studentin betreute.

Quantenrechner ist nicht schneller

Bettina Heim fand in ihrer Arbeit eine Erkl?rung daf¨¹r, warum D-Wave, eine vieldiskutierte neuartige Rechenmaschine, welche quantenphysikalische Effekte nutzt, bestimmte Rechenprobleme nicht schneller l?st als ein herk?mmlicher Computer.

Aufgrund von Simulationen erwarteten viele Experten, dass gewisse mathematische Optimierungsprobleme auf Quantenrechnern wie D-Wave schneller gel?st werden k?nnen. Wissenschaftler sprechen bei dieser Beschleunigung durch Quanteneffekte vom ?quantum speedup?. Zu den mathematischen Problemen, die davon profitieren w¨¹rden, geh?rt das Planen einer Flugroute oder die Optimierung eines Wertschriftenportfolios. Wohl vor allem wegen den vielversprechenden Voraussagen baute die kanadische Firma D-Wave vor drei Jahren einen solchen sogenannten Quantenoptimierer.

Simulationsrechnungen haben Grenzen

Allerdings erwies sich das Ger?t als nicht schneller ¨C und bei bestimmten Aufgaben sogar als deutlich langsamer ¨C als ein klassischer Computer, wie Matthias Troyer letztes Jahr zeigte. Damit gewann der ETH-Professor zwar eine Wette mit einem Wissenschaftsblogger um eine Gallone kanadischen Ahornsirup, es tat sich aber auch ein vermeintlicher Widerspruch zwischen Simulation und Experiment (dem Ger?t) auf. Heim nahm die Simulationsrechnungen genauer unter die Lupe und konnte den vermeintlichen Widerspruch aufl?sen: Die Simulationen, mit denen die Quanteneffekte auf herk?mmlichen Computern nachgebildet wurden, haben ihre Grenzen, so ihr Fazit.

?Die Simulation kann man sich als ein System von Teilchen vorstellen, die in einer Landschaft mit Bergen und T?lern liegen?, erkl?rt Heim. ?Das zu l?sende Optimierungsproblem ist, den tiefsten Punkt dieser Landschaft zu finden, wobei die Teilchen entweder die Berge ¨¹berwinden k?nnen oder ¨C falls man Quanteneffekte zul?sst ¨C diese auch untertunneln k?nnen.? Die Wege, welche die Teilchen zur¨¹cklegen, werden in der Simulation vereinfacht als Zickzack-Pfad beschrieben, definiert aus einer beschr?nkten Anzahl Wegmarken.

?Quanteninspiriertes Computing?

Es zeigte sich: Quanteneffekte halfen in der Simulation nur dann, das Optimierungsproblem sehr schnell zu l?sen, wenn die Simulation sehr grob war, das heisst wenn sie Heim mit einer geringen Anzahl Wegmarken durchf¨¹hrte. Bei sehr vielen, eng gesteckten Wegmarken, also wenn die Simulation der Realit?t sehr nahe kam, zeigte sich kein ?quantum speedup? mehr. ?Grobe Simulationen, wie sie Wissenschaftler in den letzten Jahren durchf¨¹hrten, wiederspiegeln also nicht die Realit?t in echten Quantenoptimierungsger?ten wie D-Wave?, sagt Troyer.

Nichtsdestotrotz lassen sich mit diesen groben Quantensimulationen manche Optimierungsprobleme sehr schnell l?sen ¨C und zwar auf herk?mmlichen Computern, ohne auf quantenphysikalische Ger?te angewiesen zu sein. Solche Quantensimulationen sind also per se bedeutend. L?st man mit ihnen Rechenaufgaben, w¨¹rde man das jedoch nicht als Quantencomputing bezeichnen, sondern als quanteninspiriertes Computing, erkl?rt Troyer. ?Es ist derzeit v?llig offen, ob Optimierungsprobleme auf Quantenoptimierern oder mit quanteninspiriertem Computing auf herk?mmlichen Computern effizienter gel?st werden k?nnen. Ich sage f¨¹r die n?chsten Jahre einen interessanten Wettstreit zwischen diesen beiden Ans?tzen voraus.?

Quantenbeschleunigung theoretisch m?glich

Auch wenn die Wissenschaftler bei der derzeitigen Generation von Quantenrechnern kein ?quantum speedup? sahen, heisst das noch lange nicht, dass ein solches prinzipiell unm?glich ist. Durchaus m?glich w?re, dass eine quantenphysikalische Beschleunigung bei einem zuk¨¹nftigen Quantenoptimierer mit anderer Bauart auftritt, etwa bei einem Ger?t, bei dem Quantenteilchen nicht nur mit Teilchen in der n?chsten Umgebung, sondern auch ¨¹ber weitere Distanzen wechselwirken. ?Es w?re interessant, das Potenzial von neuen Rechnerarchitekturen vor einer Konstruktion in einer Simulation zu testen?, sagt Troyer. Bettina Heims Simulation k?nne genau das.

Die ETH-Studentin ist stolz, dazu ihren Beitrag geleistet zu haben. ?Ich interessierte mich schon seit langem f¨¹r Mathematik und Physik?, sagt Heim, die ihre Matura mit dem hervorragenden Notendurchschnitt von 5,7 als Jahrgangsbeste abgeschlossen hat. Auch w?hrend ihrer Zeit als Spitzensportlerin sei es f¨¹r sie klar gewesen, dass sie in der Zeit danach eines dieser beiden F?cher studieren m?chte. ?Derzeit liegen meine Interessen klar in der theoretischen Physik.? Die Arbeit in Troyers Gruppe liege im Schnittbereich von theoretischer Physik und Computerwissenschaften. Sie sch?tze, dass sie in dieser Gruppe theoretische Fragestellung bearbeiten k?nne, die dennoch einen starken Bezug zur Realit?t h?tten, und die sie unmittelbar auch in Simulationen testen k?nne.

Grundeinstellung hilft im Studium

Gibt es Verbindungen zwischen dem Spitzensport und der akademischen Welt? Die beiden Welten seien schon verschieden, sagt Heim. Doch sie profitiere im Studium von F?higkeiten, die auch im Spitzensport wichtig gewesen seien. So k?nne sie sich gut auf den Moment konzentrieren. W?hrend des Bachelorstudiums arbeitete Heim noch in einem Teilzeitpensum als Eiskunstlauf-Trainerin. Da sei es wichtig gewesen, sich im Sport auf den Sport und im Studium auf das Studium zu konzentrieren.

Auch ihre Grundeinstellung, die sie schon im Spitzensport gehabt habe, komme ihr nun zugute. ?Ich bin selbst verantwortlich f¨¹r das, was ich mache. Und wenn ich etwas erreichen m?chte, dann gibt es ausser mir selber keinen anderen Grund, es nicht zu erreichen?, fasst sie zusammen.

Heim arbeitet auch w?hrend ihrem Masterstudium in der Gruppe von ETH-Professor Troyer mit. Und sie m?chte dereinst in theoretischer Physik oder Computerwissenschaften promovieren. Gut m?glich also, dass in den n?chsten Jahren noch weitere hochkar?tige Forschungsarbeiten aus ihrer Feder ver?ffentlicht werden.