Was sind Quantencomputer?

Quantencomputer haben das Potenzial, die Vielfalt und Genauigkeit von Berechnungen dramatisch zu steigern, neue Anwendungen für Computer zu eröffnen und unsere Modelle physikalischer Phänomene zu verbessern. Doch obwohl Quantencomputer in den Medien zunehmend Beachtung finden, sind sich viele immer noch nicht sicher, wie sich Quantencomputer von normalen Computern unterscheiden. Lassen Sie uns untersuchen, wie Quantencomputer funktionieren, einige ihrer Anwendungen und ihre kommende Zukunft.

Was ist ein Quantencomputer?

Bevor wir sinnvoll untersuchen können, wie Quantencomputer funktionieren betreiben, müssen wir zuerst definieren Quantencomputer. Die Kurzdefinition eines Quantencomputers lautet: ein Computer, der auf der Quantenmechanik basiert und in der Lage ist, bestimmte komplexe Berechnungen mit viel größerer Effizienz als herkömmliche Computer durchzuführen. Das ist eine kurze Definition von Quantencomputern, aber wir wollen uns etwas Zeit nehmen, um wirklich zu verstehen, was Quantencomputer von herkömmlichen Computern unterscheidet.

Normale Computer kodieren Informationen mit einem Binärsystem: Sie stellen jedes Bit der Daten entweder als Eins oder Null dar. Reihen von Einsen und Nullen werden miteinander verkettet, um komplexe Informationsblöcke wie Text, Bilder und Audio darzustellen. Doch in diesen binären Systemen können die Informationen immer nur als Einsen und Nullen gespeichert werden, was bedeutet, dass es eine harte Grenze für die Art und Weise gibt, wie Daten dargestellt und interpretiert werden, und dass mit zunehmender Komplexität der Daten zwangsläufig immer längere Zeichenfolgen aus Einsen und Nullen entstehen müssen Nullen.

Der Grund dafür, dass Quantencomputer Daten effizienter speichern und interpretieren können, liegt darin, dass sie zur Darstellung von Daten keine Bits verwenden, sondern „Qubits“. Qubits sind subatomare Teilchen wie Photonen und Elektronen. Qubits haben einige interessante Eigenschaften, die sie für neue Berechnungsmethoden nützlich machen. Qubits haben zwei Eigenschaften, die sich Computeringenieure zunutze machen können: Überlagerungen und Verschränkung.

Quantenüberlagerungen ermöglichen, dass Qubits nicht nur im „Eins“-Zustand oder im „Null“-Zustand existieren, sondern entlang eines Kontinuums zwischen diesen Zuständen, was bedeutet, dass mit Qubits mehr Informationen gespeichert werden können. Mittlerweile bezieht sich Quantenverschränkung auf ein Phänomen, bei dem Paare von Qubits erzeugt werden können und wenn ein Qubit verändert wird, wird auch das andere Qubit verändert, und zwar auf vorhersehbare Weise. Diese Quanteneigenschaften können genutzt werden, um komplexe Daten effizienter darzustellen und zu strukturieren.

Wie Quantencomputer funktionieren

Quanten-„Superpositionen“ verdanken ihren Namen der Tatsache, dass sie sich gleichzeitig an mehr als einer Position befinden können. Während sich Bits nur an zwei Positionen befinden können, können Qubits gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren.

Teilweise dank der Existenz von Quantenüberlagerungen ist ein Quantencomputer in der Lage, viele verschiedene mögliche Ergebnisse gleichzeitig zu berechnen. Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, werden die Qubits gemessen, wodurch durch den Zusammenbruch des Quantenzustands auf entweder 0 oder 1 ein Endergebnis entsteht, was bedeutet, dass das Ergebnis dann von herkömmlichen Computern interpretiert werden kann.

Quantencomputing-Forscher und -Ingenieure können die Position der Qubits mithilfe von Mikrowellen oder Präzisionslasern verändern.

Computeringenieure können die Quantenverschränkung nutzen, um die Rechenleistung von Computern drastisch zu verbessern. Quantenverschränkung bezieht sich auf die Tatsache, dass zwei Qubits so miteinander verbunden werden können, dass die Änderung eines der Qubits das andere Qubit zuverlässig verändert. Es ist nicht vollständig geklärt, warum Qubits eine solche Beziehung herstellen können oder wie dieses Phänomen genau funktioniert, aber Wissenschaftler verstehen es gut genug, um es möglicherweise für Quantencomputer zu nutzen. Aufgrund der Quantenverschränkung verdoppelt das Hinzufügen zusätzlicher Qubits zu einer Quantenmaschine nicht nur die Rechenleistung eines Computers, sondern kann die Rechenleistung auch exponentiell skalieren.

Wenn Ihnen das alles etwas zu abstrakt erschien, können wir beschreiben, wie nützlich Überlagerungen sind, indem wir uns ein Labyrinth vorstellen. Damit ein normaler Computer versuchen kann, ein Labyrinth zu lösen, muss er jeden Pfad des Labyrinths ausprobieren, bis er eine erfolgreiche Route findet. Allerdings könnte ein Quantencomputer grundsätzlich alle verschiedenen Pfade auf einmal erkunden, da er nicht an einen bestimmten Zustand gebunden ist.

All dies bedeutet, dass die Eigenschaften von Verschränkung und Überlagerung Quantencomputer nützlich machen, weil sie mit Unsicherheit umgehen können und in der Lage sind, mehr mögliche Zustände und Ergebnisse zu untersuchen. Quantencomputer werden Wissenschaftlern und Ingenieuren dabei helfen, Situationen mit vielen Facetten und vielen Variablen besser zu modellieren und zu verstehen.

Wofür werden Quantencomputer verwendet?

Nachdem wir nun eine bessere Vorstellung davon haben, wie Quantencomputer funktionieren, wollen wir das Mögliche erkunden Anwendungsfälle für Quantencomputer.

Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass mit Quantencomputern herkömmliche Berechnungen viel schneller durchgeführt werden können. Mit der Quantencomputertechnologie können jedoch Dinge erreicht werden, die mit herkömmlichen Computern möglicherweise nicht einmal möglich oder höchst unpraktisch sind.

Eine der vielversprechendsten und interessantesten Anwendungen von Quantencomputern liegt im Bereich der künstlichen Intelligenz. Quantencomputer sind in der Lage, die von neuronalen Netzen erstellten Modelle sowie die sie unterstützende Software zu verbessern. Google nutzt derzeit seine Quantencomputer dazu Unterstützung bei der Entwicklung selbstfahrender Fahrzeuge.

Auch Quantencomputer spielen bei der Analyse eine Rolle chemische Wechselwirkungen und Reaktionen. Selbst die fortschrittlichsten normalen Computer können Reaktionen zwischen relativ einfachen Molekülen nur modellieren, was sie durch die Simulation der Eigenschaften der betreffenden Moleküle erreichen. Quantencomputer ermöglichen es Forschern jedoch, Modelle zu erstellen, die genau die Quanteneigenschaften der Moleküle haben, die sie untersuchen. Eine schnellere und genauere Molekülmodellierung würde bei der Entwicklung neuer therapeutischer Medikamente und neuer Materialien für die Entwicklung von Energietechnologien, beispielsweise effizienteren Solarpaneelen, helfen.

Auch Quantencomputer können eingesetzt werden um das Wetter besser vorhersagen zu können. Das Wetter ist das Zusammentreffen vieler Ereignisse und die zur Vorhersage von Wettermustern verwendeten Formeln sind kompliziert und enthalten viele Variablen. Die Durchführung aller für die Vorhersage des Wetters erforderlichen Berechnungen kann extrem lange dauern und die Wetterbedingungen selbst können sich verändern. Glücklicherweise haben die zur Vorhersage des Wetters verwendeten Gleichungen eine Wellennatur, die ein Quantencomputer ausnutzen kann. Quantencomputer können Forschern helfen, genauere Klimamodelle zu erstellen, die in einer Welt, in der sich das Klima verändert, notwendig sind.

Quantencomputer und Algorithmen können auch dazu beitragen, den Datenschutz der Menschen zu gewährleisten. Quantenkryptographie nutzt das Quantenunsicherheitsprinzip, bei dem jeder Versuch, ein Objekt zu messen, dazu führt, dass Änderungen an diesem Objekt vorgenommen werden. Versuche, die Kommunikation abzufangen, würden die resultierende Kommunikation beeinflussen und Hinweise auf Manipulationen liefern.

Zukunft des Quantencomputings

Die meisten Einsatzmöglichkeiten von Quantencomputern werden auf Akademiker und Unternehmen beschränkt sein. Es ist unwahrscheinlich, dass Verbraucher/die breite Öffentlichkeit Quanten-Smartphones erhalten werden, zumindest nicht in absehbarer Zeit. Dies liegt daran, dass für den Betrieb eines Quantencomputers spezielle Geräte erforderlich sind. Quantencomputer reagieren sehr empfindlich auf Störungen, da selbst kleinste Änderungen in der Umgebung dazu führen können, dass Qubits ihre Position verschieben und aus dem Überlagerungszustand herausfallen. Dies wird als Dekohärenz bezeichnet und ist einer der Gründe dafür, dass Fortschritte bei Quantencomputern im Vergleich zu normalen Computern so langsam zu erfolgen scheinen. Quantencomputer müssen typischerweise bei extrem niedrigen Temperaturen und isoliert von anderen elektrischen Geräten betrieben werden.

Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen führt Rauschen immer noch zu Fehlern in den Berechnungen, und Forscher suchen nach Möglichkeiten, Qubits zuverlässiger zu machen. Um die Quantenüberlegenheit zu erreichen, bei der ein Quantencomputer die Leistung eines aktuellen Supercomputers völlig in den Schatten stellt, müssen Qubits miteinander verbunden werden. Ein echter Quantencomputer könnte Tausende von Qubits erfordern, aber die besten Quantencomputer von heute können das Normalerweise befassen sie sich nur mit etwa 50 Qubits. Forscher arbeiten ständig daran, stabilere und zuverlässigere Qubits zu entwickeln. Experten auf dem Gebiet der Quantencomputer sagen leistungsstarke und zuverlässige Quantengeräte voraus könnte innerhalb eines Jahrzehnts hier sein.