Quantencomputer und Quantenphysik

Ein Quantencomputer ist ein Computerentwurf, der die Prinzipien der Quantenphysik verwendet, um die Rechenleistung über das hinaus zu erhöhen, was mit einem herkömmlichen Computer erreichbar ist. Quantum-Computer wurden in kleinem Maßstab gebaut und werden weiterhin auf praktischere Modelle umgerüstet.

Wie Computer funktionieren

Computer funktionieren durch Speichern von Daten in einem Binärzahlenformat, was dazu führt, dass eine Reihe von Einsen und Nullen in elektronischen Bauteilen wie Transistoren erhalten bleibt. Jede Komponente des Computerspeichers heißt a bisschen und kann durch die Schritte der Booleschen Logik manipuliert werden, so dass die Bits auf der Grundlage der vom Computerprogramm angewendeten Algorithmen zwischen den Modi 1 und 0 wechseln (manchmal als "Ein" und "Aus" bezeichnet)..

Wie ein Quantencomputer funktionieren würde

Ein Quantencomputer hingegen würde Informationen entweder als 1, 0 oder als Quantenüberlagerung der beiden Zustände speichern. Ein solches "Quantenbit" ermöglicht eine weitaus größere Flexibilität als das Binärsystem.

Insbesondere wäre ein Quantencomputer in der Lage, Berechnungen in einer viel größeren Größenordnung durchzuführen als herkömmliche Computer… ein Konzept, das ernsthafte Bedenken und Anwendungen im Bereich der Kryptografie und Verschlüsselung aufweist. Einige befürchten, dass ein erfolgreicher und praktischer Quantencomputer das Finanzsystem der Welt zerstören könnte, indem er seine Computersicherheitsverschlüsselungen auflöst, die auf der Berücksichtigung großer Zahlen basieren, die von herkömmlichen Computern innerhalb der Lebensdauer des Universums buchstäblich nicht geknackt werden können. Ein Quantencomputer hingegen könnte die Zahlen in einem angemessenen Zeitraum faktorisieren.

Um zu verstehen, wie dies die Dinge beschleunigt, betrachten Sie dieses Beispiel. Befindet sich das Qubit in einer Überlagerung des 1-Zustands und des 0-Zustands und führte es eine Berechnung mit einem anderen Qubit in derselben Überlagerung durch, so erhält eine Berechnung tatsächlich 4 Ergebnisse: ein 1/1 Ergebnis, ein 1/0 Ergebnis, ein 0/1 Ergebnis und ein 0/0 Ergebnis. Dies ist ein Ergebnis der Mathematik, die auf ein Quantensystem angewendet wird, wenn es sich in einem Zustand der Dekohärenz befindet, der anhält, während es sich in einer Überlagerung von Zuständen befindet, bis es in einen Zustand zusammenfällt. Die Fähigkeit eines Quantencomputers, mehrere Berechnungen gleichzeitig (oder rechnerisch parallel) durchzuführen, wird Quantenparallelität genannt.

Der genaue physikalische Mechanismus im Quantencomputer ist theoretisch etwas komplex und intuitiv störend. Im Allgemeinen wird dies durch die Mehrweltinterpretation der Quantenphysik erklärt, bei der der Computer Berechnungen nicht nur in unserem Universum, sondern auch in der Quantenphysik durchführt andere Universen gleichzeitig, während sich die verschiedenen Qubits in einem Zustand der Quantendekohärenz befinden. Während dies weit hergeholt klingt, hat sich gezeigt, dass die Multi-Welt-Interpretation Vorhersagen trifft, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.

Geschichte des Quantencomputings

Das Quantencomputing geht in der Regel auf eine Rede von Richard P. Feynman aus dem Jahr 1959 zurück, in der er über die Auswirkungen der Miniaturisierung sprach, einschließlich der Idee, Quanteneffekte zu nutzen, um leistungsfähigere Computer zu erstellen. Diese Rede gilt allgemein auch als Ausgangspunkt der Nanotechnologie.

Bevor die Quanteneffekte des Rechnens realisiert werden konnten, mussten Wissenschaftler und Ingenieure natürlich die Technologie traditioneller Computer weiterentwickeln. Aus diesem Grund gab es viele Jahre lang weder direkte Fortschritte noch Interesse daran, Feynmans Vorschläge in die Realität umzusetzen.

Die Idee der "Quantenlogik-Gatter" wurde 1985 von David Deutsch von der Universität Oxford vorgestellt, um das Quantenreich in einem Computer zu nutzen. In der Tat zeigte Deutschs Arbeit zu diesem Thema, dass jeder physikalische Prozess von einem Quantencomputer modelliert werden kann.

Fast ein Jahrzehnt später, 1994, entwickelte Peter Shor von AT & T einen Algorithmus, der nur 6 Qubits für einige grundlegende Faktorisierungen verwenden konnte. Je komplexer die zu faktorisierenden Zahlen wurden, desto mehr Ellen wurden natürlich.

Eine Handvoll Quantencomputer wurde gebaut. Der erste, ein 2-Qubit-Quantencomputer von 1998, konnte triviale Berechnungen durchführen, bevor er nach einigen Nanosekunden die Dekohärenz verlor. Im Jahr 2000 bauten die Teams erfolgreich einen 4-Qubit- und einen 7-Qubit-Quantencomputer. Die Forschung zu diesem Thema ist nach wie vor sehr aktiv, obwohl einige Physiker und Ingenieure Bedenken hinsichtlich der Schwierigkeiten äußern, die mit der Hochskalierung dieser Experimente auf vollständige Computersysteme verbunden sind. Der Erfolg dieser ersten Schritte zeigt jedoch, dass die fundamentale Theorie stichhaltig ist.

Schwierigkeiten mit Quantencomputern

Der Hauptnachteil des Quantencomputers ist die gleiche Stärke: die Quantendekohärenz. Die Qubit-Berechnungen werden durchgeführt, während sich die Quantenwellenfunktion in einem Zustand der Überlagerung zwischen Zuständen befindet, was es ihr ermöglicht, die Berechnungen unter gleichzeitiger Verwendung der Zustände 1 und 0 durchzuführen.

Wenn jedoch irgendeine Art von Messung an einem Quantensystem durchgeführt wird, bricht die Dekohärenz zusammen und die Wellenfunktion fällt in einen einzigen Zustand zusammen. Daher muss der Computer diese Berechnungen auf irgendeine Weise fortsetzen, ohne dass Messungen durchgeführt werden, bis der richtige Zeitpunkt erreicht ist. Dann kann er den Quantenzustand verlassen und eine Messung durchführen, um das Ergebnis zu lesen, die dann an den Rest von weitergegeben wird das System.

Die physikalischen Anforderungen an die Manipulation eines Systems in diesem Maßstab sind beträchtlich und berühren unter anderem die Bereiche Supraleiter, Nanotechnologie und Quantenelektronik. Jedes dieser Gebiete ist für sich ein anspruchsvolles Gebiet, das sich noch in der Entwicklung befindet. Es ist daher eine Aufgabe, die ich niemanden besonders beneide, außer der Person, die es endlich schafft.