Was sind Quantencomputer?

Quantencomputer haben das Potenzial, die Vielfalt und Genauigkeit von Berechnungen dramatisch zu erhöhen, indem sie neue Anwendungen für Computer eröffnen und unsere Modelle von physikalischen Phänomenen verbessern. Doch während Quantencomputer immer mehr Medienaufmerksamkeit erhalten, sind viele Menschen immer noch unsicher, wie sich Quantencomputer von herkömmlichen Computern unterscheiden. Lassen Sie uns untersuchen, wie Quantencomputer funktionieren, einige ihrer Anwendungen und ihre Zukunft.

Was ist ein Quantencomputer?

Bevor wir uns sinnvoll mit der Funktionsweise von Quantencomputern befassen können, müssen wir zunächst definieren, was Quantencomputer sind. Die kurze Definition eines Quantencomputers lautet: Ein Computer, der auf Quantenmechanik basiert und in der Lage ist, bestimmte komplexe Berechnungen mit viel größerer Effizienz durchzuführen als herkömmliche Computer. Das ist eine kurze Definition von Quantencomputern, aber wir werden uns Zeit nehmen, um wirklich zu verstehen, was Quantencomputer von herkömmlichen Computern unterscheidet.

Herkömmliche Computer codieren Informationen mit einem binären System: Jedes Bit der Daten wird als 0 oder 1 dargestellt. Reihen von 0en und 1en werden verkettet, um komplexe Informationen wie Text, Bilder und Audio darzustellen. Doch in diesen binären Systemen kann die Information nur als 0en und 1en gespeichert werden, was bedeutet, dass es eine harte Grenze gibt, wie Daten dargestellt und interpretiert werden, und dass sich die Daten mit zunehmender Komplexität notwendigerweise zu längeren und längeren Zeichenfolgen von 0en und 1en entwickeln.

Der Grund, warum Quantencomputer in der Lage sind, Daten effizienter zu speichern und zu interpretieren, liegt darin, dass sie keine Bits verwenden, um Daten darzustellen, sondern ” Qubits“. Qubits sind subatomare Teilchen wie Photonen und Elektronen. Qubits haben einige interessante Eigenschaften, die von Computer-Ingenieuren genutzt werden können: Superpositionen und Verschränkung.

Quanten-Superpositionen ermöglichen es Qubits, nicht nur im “1”-Zustand oder im “0”-Zustand zu existieren, sondern entlang eines Kontinuums zwischen diesen Zuständen, was bedeutet, dass mehr Informationen mit Qubits gespeichert werden können. Währenddessen bezieht sich die Quanten-Verschränkung auf ein Phänomen, bei dem Qubit-Paare erzeugt werden können und wenn ein Qubit geändert wird, das andere Qubit in vorhersehbarer Weise geändert wird. Diese Quanten-Eigenschaften können verwendet werden, um komplexe Daten auf effizientere Weise darzustellen und zu strukturieren.

Wie funktionieren Quantencomputer?

Quanten-“Superpositionen” erhalten ihren Namen von der Tatsache, dass sie in mehr als einer Position gleichzeitig existieren können. Während Bits nur in zwei Positionen existieren können, können Qubits in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren.

Thanks in part to the existence of quantum superpositions, a quantum computer is capable of calculating many different potential outcomes at the same time. Once the calculations are done, the qubits are measured, which creates a final result through the collapse of the quantum state to either 0 or 1, meaning the result can then be interpreted by traditional computers.

Quantum computing researchers and engineers can alter the position the qubits are in by using microwaves or precision lasers.

Computer-Ingenieure können die Quanten-Verschränkung nutzen, um die Verarbeitungsleistung von Computern dramatisch zu verbessern. Quanten-Verschränkung bezieht sich auf die Tatsache, dass zwei Qubits so miteinander verknüpft werden können, dass die Änderung eines Qubits das andere Qubit in zuverlässiger Weise ändert. Es ist noch nicht vollständig verstanden, warum Qubits eine solche Beziehung aufbauen können oder wie dieses Phänomen genau funktioniert, aber Wissenschaftler verstehen es gut genug, um es möglicherweise für Quantencomputer zu nutzen. Aufgrund der Quanten-Verschränkung führt die Hinzufügung von zusätzlichen Qubits zu einem Quantencomputer nicht nur zu einer Verdoppelung der Verarbeitungsleistung, sondern kann die Verarbeitungsleistung exponentiell skalieren.

Wenn all dies ein bisschen zu abstrakt erscheint, können wir die Nützlichkeit von Superpositionen beschreiben, indem wir uns ein Labyrinth vorstellen. Ein herkömmlicher Computer müsste versuchen, jeden Pfad des Labyrinths zu durchlaufen, um einen erfolgreichen Weg zu finden. Ein Quantencomputer könnte jedoch im Wesentlichen alle verschiedenen Pfade gleichzeitig erkunden, da er nicht an einen bestimmten Zustand gebunden ist.

All dies bedeutet, dass die Eigenschaften von Verschränkung und Superposition Quantencomputer nützlich machen, da sie mit Unsicherheit umgehen können und in der Lage sind, mehr mögliche Zustände und Ergebnisse zu erkunden. Quantencomputer werden Wissenschaftlern und Ingenieuren helfen, Situationen besser zu modellieren und zu verstehen, die vielschichtig sind und viele Variablen aufweisen.

Wofür werden Quantencomputer verwendet?

Jetzt, da wir eine bessere Vorstellung davon haben, wie Quantencomputer funktionieren, lassen Sie uns die möglichen Anwendungsfälle für Quantencomputer erkunden.

Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass Quantencomputer verwendet werden können, um herkömmliche Berechnungen mit viel höherer Geschwindigkeit durchzuführen. Quantencomputer-Technologie kann jedoch auch verwendet werden, um Dinge zu erreichen, die mit herkömmlichen Computern möglicherweise nicht möglich oder sehr umständlich sind.

Eine der vielversprechendsten und interessantesten Anwendungen von Quantencomputern ist im Bereich der künstlichen Intelligenz. Quantencomputer haben die Macht, die Modelle zu verbessern, die von neuronalen Netzen erstellt werden, sowie die Software, die sie unterstützt. Google verwendet derzeit seine Quantencomputer, um bei der Erstellung von selbstfahrenden Fahrzeugen zu helfen.

Quantencomputer spielen auch eine Rolle bei der Analyse von chemischen Wechselwirkungen und Reaktionen. Selbst die leistungsfähigsten herkömmlichen Computer können nur Reaktionen zwischen relativ einfachen Molekülen modellieren, indem sie die Eigenschaften der betreffenden Moleküle simulieren. Quantencomputer ermöglichen es Forschern jedoch, Modelle zu erstellen, die die exakten Quanten-Eigenschaften der Moleküle aufweisen, die sie untersuchen. Schnellere, genauere Molekül-Modellierung würde bei der Erstellung neuer therapeutischer Medikamente und neuer Materialien für die Energie-Technologie, wie effizientere Solarpanele, helfen.

Quantencomputer können auch verwendet werden, um die Wettervorhersage zu verbessern. Das Wetter ist die Kombination vieler Ereignisse und die Formeln, die zur Vorhersage von Wettermustern verwendet werden, sind kompliziert und enthalten viele Variablen. Es kann sehr lange dauern, alle notwendigen Berechnungen durchzuführen, um das Wetter vorherzusagen, währenddessen sich die Wetterbedingungen selbst ändern können. Glücklicherweise haben die Gleichungen, die zur Wettervorhersage verwendet werden, eine Wellennatur, die ein Quantencomputer ausnutzen kann. Quantencomputer können Forschern helfen, genauere Klimamodelle zu erstellen, die in einer Welt, in der sich das Klima ändert, notwendig sind.

Quantencomputer und Algorithmen können auch verwendet werden, um die Privatsphäre von Daten zu schützen. Quanten-Kryptographie nutzt das Quanten-Ungleichheitsprinzip, bei dem jeder Versuch, ein Objekt zu messen, zu Änderungen an diesem Objekt führt. Versuche, Kommunikationen abzufangen, würden die resultierende Kommunikation beeinflussen und Anzeichen von Manipulation zeigen.

Zukunft der Quantencomputer

Die meisten Anwendungen für Quantencomputer werden auf Akademiker und Unternehmen beschränkt sein. Es ist unwahrscheinlich, dass Verbraucher/allgemeine Öffentlichkeit Quanten-Smartphones erhalten, zumindest nicht in naher Zukunft. Dies liegt daran, dass spezielle Ausrüstung erforderlich ist, um einen Quantencomputer zu betreiben. Quantencomputer sind sehr empfindlich gegenüber Störungen, da sogar die geringsten Änderungen in der Umgebung Qubits veranlassen können, ihre Position zu ändern und aus dem Superpositionszustand zu fallen. Dies wird als Dekohärenz bezeichnet und ist einer der Gründe, warum Fortschritte bei Quantencomputern im Vergleich zu herkömmlichen Computern so langsam zu sein scheinen. Quantencomputer müssen normalerweise unter Bedingungen extrem niedriger Temperaturen, isoliert von anderen elektrischen Geräten, betrieben werden.

Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen schafft es noch immer Rauschen, Fehler in den Berechnungen zu erzeugen, und Forscher suchen nach Wegen, um Qubits zuverlässiger zu machen. Um Quanten-Überlegenheit zu erreichen, bei der ein Quantencomputer die Leistung eines aktuellen Supercomputers vollständig übertrifft, müssen Qubits miteinander verknüpft werden. Ein wirklich quanten-überlegener Computer könnte Tausende von Qubits erfordern, aber die besten Quantencomputer heute können typischerweise nur etwa 50 Qubits handhaben. Forscher arbeiten ständig daran, stabilere und zuverlässigere Qubits zu schaffen. Experten auf dem Gebiet der Quantencomputer sagen voraus, dass leistungsstarke und zuverlässige Quanten-Geräte innerhalb eines Jahrzehnts verfügbar sein könnten.