Wie die Quantenmechanik die Tech-Industrie verändern wird

Richard Feynman sagte einmal: “Wenn Sie denken, Sie verstehen die Quantenmechanik, dann verstehen Sie sie nicht.” Das mag zwar stimmen, es bedeutet jedoch nicht, dass wir nicht versuchen können, sie zu verstehen. Schließlich, wohin würden wir ohne unsere angeborene Neugier kommen?

Um die Macht des Unbekannten zu verstehen, werden wir die wichtigsten Konzepte hinter der Quantenphysik entwirren – zwei davon, um genau zu sein (puh!). Es ist alles ziemlich abstrakt, aber das ist gute Nachricht für uns, denn Sie müssen kein nobelpreisgekrönter theoretischer Physiker sein, um zu verstehen, was vor sich geht. Und was geht vor sich? Nun, lassen Sie uns herausfinden.

Die Grundlagen legen

Wir beginnen mit einem kurzen Gedankenexperiment. Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger (SDGR ) möchte, dass Sie sich eine Katze in einer abgeschlossenen Box vorstellen. Bisher, bisher gut. Jetzt stellen Sie sich eine Phiole mit einem tödlichen Stoff in der Box vor. Was ist mit der Katze passiert? Wir können es nicht mit Sicherheit sagen. Bis die Situation beobachtet wird, d. h. wir die Box öffnen, ist die Katze sowohl tot als auch lebendig, oder in wissenschaftlicheren Begriffen, sie befindet sich in einer Überlagerung von Zuständen. Dieses berühmte Gedankenexperiment ist als Schrödingers Katzenparadoxon bekannt und erklärt eines der beiden Hauptphänomene der Quantenmechanik.

Die Überlagerung besagt, dass, ähnlich wie unsere geliebte Katze, ein Teilchen in allen möglichen Zuständen existiert, bis es gemessen wird. Das “Beobachten” des Teilchens zerstört sofort seine Quanteneigenschaften, und voilà, es unterliegt wieder den Regeln der klassischen Mechanik.

Nun werden die Dinge ein bisschen komplizierter, aber lassen Sie sich nicht abschrecken – sogar Einstein war von der Idee zurückgewiesen. Als “spukhafte Fernwirkung” beschrieben, ist die Verschränkung eine Verbindung zwischen einem Paar Teilchen – eine physische Wechselwirkung, die zu ihrem gemeinsamen Zustand (oder dem Mangel daran, wenn wir von der Überlagerung ausgehen) führt.

Die Verschränkung besagt, dass eine Änderung des Zustands eines verschränkten Teilchens eine sofortige, vorhersehbare Reaktion des verbleibenden Teilchens auslöst. Um es in Perspektive zu setzen, lassen Sie uns zwei verschränkte Münzen in die Luft werfen. Anschließend beobachten wir das Ergebnis. Landete die erste Münze auf Kopf? Dann muss die Messung der verbleibenden Münze auf Zahl fallen. Mit anderen Worten, wenn beobachtet, widersprechen sich die Messungen der verschränkten Teilchen. Keine Sorge, jedoch – Verschränkung ist nicht so häufig. Noch nicht, zumindest.

Der wahrscheinliche Held

“Was ist der Sinn all dieses Wissens, wenn ich es nicht nutzen kann?”, fragen Sie sich vielleicht. Egal, welche Frage Sie haben, es ist wahrscheinlich, dass ein Quantencomputer die Antwort hat. In einem digitalen Computer benötigt das System Bits, um seine Verarbeitungskapazität zu erhöhen. Daher müssen Sie, um die Verarbeitungskapazität zu verdoppeln, einfach die Anzahl der Bits verdoppeln – das ist in Quantencomputern nicht der Fall.

Ein Quantencomputer verwendet Qubits, die grundlegende Einheit der Quanteninformation, um Verarbeitungsfähigkeiten zu bieten, die sogar die leistungsstärksten Supercomputer übertrreffen. Wie? Superponierte Qubits können gleichzeitig eine Vielzahl von möglichen Ergebnissen (oder Zuständen, um mit unseren vorherigen Segmenten konsistent zu sein) bearbeiten. Im Vergleich dazu kann ein digitaler Computer nur eine Berechnung gleichzeitig durchführen. Darüber hinaus können wir durch Verschränkung die Leistung eines Quantencomputers exponentiell verstärken, insbesondere im Vergleich zur Effizienz traditioneller Bits in einer digitalen Maschine. Um die Größenordnung zu visualisieren, betrachten Sie die enorme Verarbeitungskapazität, die jedes Qubit bietet, und verdoppeln Sie sie.

Nichts ist perfekt

Aber es gibt einen Haken – sogar die geringsten Vibrationen und Temperaturänderungen, die von Wissenschaftlern als “Rauschen” bezeichnet werden, können dazu führen, dass Quanteneigenschaften zerfallen und letztendlich vollständig verschwinden. Obwohl Sie dies nicht in Echtzeit beobachten können, werden Sie einen Rechenfehler erleben. Der Zerfall von Quanteneigenschaften wird als Dekohärenz bezeichnet und ist einer der größten Rückschläge, wenn es um Technologie geht, die auf Quantenmechanik basiert.

In einem idealen Szenario ist ein Quantenprozessor vollständig von seiner Umgebung isoliert. Dazu verwenden Wissenschaftler spezielle Kühlschränke, die als kryogene Kühler bezeichnet werden. Diese kryogenen Kühler sind kälter als der interstellare Raum und ermöglichen es unserem Quantenprozessor, mit virtuell keinem Widerstand Strom zu leiten. Dies wird als supraleitender Zustand bezeichnet und macht Quantencomputer extrem effizient. Als Ergebnis benötigt unser Quantenprozessor nur einen Bruchteil der Energie, die ein digitaler Prozessor benötigen würde, und erzeugt exponentiell mehr Leistung und wesentlich weniger Wärme. In einem idealen Szenario, zumindest.

Eine (neue) Welt der Möglichkeiten

Wettervorhersage, Finanz- und Molekülmodellierung, Teilchenphysik… die Anwendungsmöglichkeiten für Quantenberechnungen sind sowohl enorm als auch vielversprechend.

Noch ist eine der verlockendsten Perspektiven vielleicht die der Quanten-Künstlichen Intelligenz. Dies liegt daran, dass Quantensysteme hervorragend darin sind, Wahrscheinlichkeiten für viele mögliche Auswahlmöglichkeiten zu berechnen – ihre Fähigkeit, kontinuierliches Feedback an intelligente Software zu liefern, ist auf dem heutigen Markt unübertroffen. Der geschätzte Einfluss ist unermesslich und umfasst Branchen und Industrien – von KI im Automobilbereich bis hin zu medizinischer Forschung. Lockheed Martin (LMT ), der amerikanische Luft- und Raumfahrtgigant, erkannte schnell die Vorteile und führt bereits mit seinem Quantencomputer, den er für Autopilot-Software-Tests verwendet, vor. Machen Sie sich Notizen.

Die Prinzipien der Quantenmechanik werden auch verwendet, um Probleme in der Cybersicherheit anzugehen. Die RSA-Kryptographie (Rivest-Shamir-Adleman), eine der weltweit bevorzugten Methoden der Datenverschlüsselung, basiert auf der Schwierigkeit, sehr große Primzahlen zu faktorisieren. Während dies bei herkömmlichen Computern funktioniert, die nicht besonders effektiv bei der Lösung von Multi-Faktor-Problemen sind, werden Quantencomputer diese Verschlüsselungen leicht knacken, dank ihrer einzigartigen Fähigkeit, mehrere Ergebnisse gleichzeitig zu berechnen.

Theoretisch sorgt Quanten-Schlüsselaustausch mit einem Überlagerungs-basierten Verschlüsselungssystem dafür. Stellen Sie sich vor, Sie möchten sensible Informationen an einen Freund weiterleiten. Dazu erstellen Sie einen Verschlüsselungsschlüssel mithilfe von Qubits, der dann über ein optisches Kabel an den Empfänger gesendet wird. Wenn die kodierten Qubits von einer dritten Partei beobachtet worden wären, hätten sowohl Sie als auch Ihr Freund einen unerwarteten Fehler im Betrieb festgestellt. Um jedoch die Vorteile von QKD zu maximieren, müssten die Verschlüsselungsschlüssel ihre Quanteneigenschaften zu jedem Zeitpunkt beibehalten. Leichter gesagt als getan.

Lebensmittel für den Gedanken

Es hört nicht hier auf. Die hellsten Köpfe auf der ganzen Welt versuchen ständig, Verschränkung als Modus der Quantenkommunikation zu nutzen. Bisher konnten chinesische Forscher erfolgreich verschränkte Photonpaare durch ihren Micius-Satelliten über eine Rekorddistanz von 745 Meilen strahlen. Das ist die gute Nachricht. Die schlechte Nachricht ist, dass von den 6 Millionen verschränkten Photonen, die jede Sekunde gestrahlt werden, nur ein Paar die Reise überlebt hat (danke, Dekohärenz). Eine unglaubliche Leistung dennoch, dieses Experiment zeigt die Art von Infrastruktur, die wir in der Zukunft verwenden könnten, um Quantennetze zu sichern.

Der Quantenwettlauf sah auch einen jüngsten Durchbruch von QuTech, einem Forschungszentrum an der TU Delft in den Niederlanden – ihr Quantensystem arbeitet bei einer Temperatur, die über einem Grad wärmer ist als das absolute Nullpunkt (-273 Grad Celsius).

Während diese Errungenschaften Ihnen und mir vielleicht unbedeutend erscheinen, ist die Wahrheit, dass, Versuch für Versuch, solche bahnbrechenden Forschungen uns einen Schritt näher an die Technologie von morgen bringen. Eines bleibt jedoch unverändert, und das ist die offensichtliche Realität, dass diejenigen, die es schaffen, die Macht der Quantenmechanik erfolgreich zu nutzen, die Vorherrschaft über den Rest der Welt haben werden. Wie denken Sie, werden sie es nutzen?