Der Sport hat sie stark gemacht

Die Physikerin und frühere Spitzenathletin Bettina Heim hat bereits im Bachelorstudium geschafft, worauf Forscher Jahre warten: Sie publizierte im Fachmagazin «Science».

Volles Engagement: Bettina Heim in der ETH Hönggerberg. Foto: Dieter Seeger

Volles Engagement: Bettina Heim in der ETH Hönggerberg. Foto: Dieter Seeger

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Halbe Sachen sind nicht ihr Ding. Wenn Bettina Heim etwas anpackt, dann richtig. Als Eiskunstläuferin nahm sie an zwei Weltmeisterschaften teil und brachte es 2011 zur Schweizer Meisterin. Wenn ihr Trainer fragte: «Bist du müde?», antwortete sie immer mit einem überzeugten «Nein!», und zwar «egal, wie müde ich war».

Trotz der Erfolge sah sie ihre Zukunft nicht im Spitzensport. «Ich habe schon immer Herausforderungen gesucht», sagt Heim. «Aber in dem Moment, als ich beim Eiskunstlauf meinte, alles gelernt zu haben, was ich lernen konnte, wollte ich etwas anderes machen.»

So hat Heim ihre Schlittschuhe vor rund vier Jahren an den Nagel gehängt und an der ETH Zürich ihr Bachelorstudium in Physik begonnen. Wieder mit vollem Engagement. Und mit Erfolg: Auch als Physikstudentin hat sie bereits eine Art «Titel» gewonnen – sie konnte die Resultate einer Semesterarbeit im renommierten Wissenschaftsmagazin «Science» publizieren. Viele Wissenschaftler müssen zig Arbeiten verfassen, bis eine dort erscheint. Heim schaffte das als Studentin im Alter von 26 Jahren. Natürlich hätten sie die Forscher im Team von Matthias Troyer, Professor für Computational Physics an der ETH Zürich, bestens unterstützt, sagt sie.

«Verschränkte» Atome

Heim hat sich in ihrer Semesterarbeit im weitesten Sinne mit Quantencomputern beschäftigt. Quantencomputer sind Rechenmaschinen, die sich gewisse Eigenschaften der Quantenwelt zunutze machen, zum Beispiel eine Art magische Verknüpfung mehrerer Atome. Laut Theorie sollten Quantencomputer dank dieser sogenannten Verschränkung von Atomen gewisse Probleme viel besser lösen können als klassische Computer. Beispiele sind die Optimierung eines Wertschriftenportfolios, die Suche nach der idealen Fahrtroute für einen LKW oder der perfekte Bewegungsablauf eines Bohrkopfs, der mehrere Löcher in ein Bauteil fräst. Manche Firmen geben Millionen aus, um die optimale Lösung für derlei Probleme zu finden.

Daher ging ein Raunen durch die Fachwelt, als die Firma D-Wave vor wenigen Jahren den «ersten kommerziellen Quantencomputer» auf den Markt brachte. 2011 besorgte sich der amerikanische Rüstungskonzern Lockheed Martin für mehr als 10 Millionen Franken den ersten D-Wave. Und 2013 holte sich Google ein zweites, verbessertes Exemplar. Die grosse Frage war jedoch: Ist der D-Wave wirklich ein Quantencomputer?

Kugeln schubsen

Letztes Jahr hat eine Publikation von ETH-Forscher Troyer und Kollegen Klarheit geschaffen: Der D-Wave nutzt zwar tatsächlich Quanteneffekte aus. Schneller als ein herkömmlicher Computer ist er aber nicht – bei gewissen Aufgaben ist er sogar erheblich langsamer. Für Troyer ist der D-Wave daher kein universell einsetzbarer Quantencomputer. Er bezeichnet ihn vielmehr als «programmierbares Quantensimulationsexperiment» oder als «Quantenoptimierer», da der D-Wave keine beliebigen Aufgaben lösen kann, sondern speziell auf Optimierungsprobleme zugeschnitten ist.

Warum der D-Wave bei bisherigen Tests entgegen den Erwartungen keinen Vorteil gegenüber einem klassischen Science-Computer aufwies, hat Heim in ihrer Seminararbeit erklärt, und zwar mithilfe von Computersimulationen. Bildlich gesprochen, betrachtete sie dabei eine hügelige Landschaft, in der ein Berg einer hohen und ein Tal einer tiefen Energie entspricht. Ziel ist es, Kugeln durch die Landschaft zu schubsen und so den tiefsten Punkt zu finden. Denn dieser Ort entspricht der günstigsten Lösung des Optimierungsproblems. Klassische Computer können – um beim Bild zu bleiben – die Kugeln nur umständlich über einen Hügel ins nächste Tal befördern. Das Rechnen mit Quanteneffekten sollte es jedoch erlauben, die Berge zu durchtunneln.

Daher wurde erwartet, dass Quantenoptimierer wie der D-Wave die tiefste Delle in der Landschaft schneller ausfindig machen – die Wissenschaftler sprechen von «quantum speedup». Zumindest legte das eine Forschungsarbeit nahe, die vor rund zehn Jahren publiziert wurde und die in einer Simulation die klassische Optimierung mit der Quantenoptimierung verglich.

Millionen in den Sand gesetzt?

Doch die Quantenoptimierung scheint nur in ganz speziellen, eher unrealistischen Simulationen schneller zu sein, wie Heim nun in ihrer Arbeit zeigt. «Ist die Simulation näher an der Realität, entspricht sie also einem physikalischen System, zeigt sich kein ‹quantum speed­­up› mehr», erklärt Heim. Die groben Simulationen, die Forscher in den letzten Jahren durchführten, entsprechen demnach nicht der physikalischen Realität im D-Wave. Das heisst: Es ist derzeit völlig offen, ob ein Rechner wie der D-Wave bei der Lösung von Optimierungsproblemen überhaupt hilft.

Haben Lockheed Martin und Google somit umsonst 10 Millionen Franken für den D-Wave ausgegeben? «Nein», sagt Heim. Einerseits habe sie in ihrer Arbeit nur bestimmte Optimierungsprobleme simuliert – andere könnten auf solch einem Rechner durchaus schneller laufen. Zudem helfe der D-Wave, die von der Theorie inspirierte Idealvorstellung eines Quantencomputers an der Realität zu messen. Ihre Resultate könnten nun dazu beitragen, künftige Quantenoptimierer wie den D-Wave zu optimieren.

Von ihrer Laufbahn hat Heim – auch ohne Einsatz eines Quantenoptimierers – bereits eine optimale Version im Blick. Nach ihrem Master und einem Auslandaufenthalt möchte sie in der Gruppe von Troyer promovieren. Und auf lange Sicht möchte sie auf jeden Fall in der Forschung arbeiten und dabei vielleicht zur Entwicklung eines wirklich leistungsfähigen Quantencomputers beitragen.

Bis dahin ist, wie bei der Kür im Eiskunstlauf, sicher noch viel von ihrer Kreativität gefragt. Und von ihrem Durchhaltevermögen. Zu müde für diese Zukunftsplanung wirkt sie jedenfalls nicht. «Der Leistungssport hat mir sehr viel beigebracht», sagt Heim. «Ich kann jeden angehenden Wissenschaftler dazu ermutigen, in jungen Jahren Erfahrungen in einem anderen Bereich zu sammeln.»

Ein Anliegen ist ihr in Sachen Spitzensport und Wissenschaft besonders wichtig: «Vier Jahre nach dem Ende meiner Eislaufkarriere möchte ich nun als Physikerin gesehen werden und nicht mehr als Athletin.»

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 01.04.2015, 20:59 Uhr

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