Was sind Quantencomputer?

Quantencomputer haben das Potenzial, die Vielfalt und Genauigkeit von Berechnungen dramatisch zu erhöhen, neue Anwendungen für Computer zu eröffnen und unsere Modelle von physikalischen Phänomenen zu 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 zukünftige Entwicklung.

Was ist ein Quantencomputer?

Bevor wir uns 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 bemühen, sie genauer zu verstehen, um zu sehen, was Quantencomputer von herkömmlichen Computern unterscheidet.

Reguläre 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 feste Grenze für die Darstellung und Interpretation von Daten gibt und dass die Daten, wenn sie komplexer werden, notwendigerweise länger und länger werden.

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 für neue Berechnungsmethoden nützlich sind. Qubits haben zwei Eigenschaften, die Computer-Ingenieure nutzen können: Superpositionen und Verschränkung.

Quanten-Superpositionen ermöglichen es Qubits, nicht nur im “0”-Zustand oder im “1”-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 Paare von Qubits erzeugt werden können und wenn ein Qubit verändert wird, das andere Qubit in vorhersehbarer Weise verändert 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 einem Zustand gleichzeitig existieren können. Während Bits nur in zwei Zuständen 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. Die Quanten-Verschränkung bezieht sich auf die Tatsache, dass zwei Qubits so miteinander verknüpft werden können, dass die Veränderung eines Qubits das andere Qubit in vorhersehbarer Weise verändert. Es ist noch nicht vollständig verstanden, 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 Quanten-Verschränkung erhöht sich die Verarbeitungsleistung eines Computers nicht nur um den Faktor zwei, wenn ein weiteres Qubit hinzugefügt wird, sondern exponentiell.

Wenn all dies ein bisschen zu abstrakt erscheint, können wir die Nützlichkeit von Superpositionen anhand eines Labyrinths erklären. Ein herkömmlicher Computer müsste versuchen, jeden Pfad des Labyrinths zu durchlaufen, um einen erfolgreichen Weg zu finden. Ein Quantencomputer könnte jedoch im Grunde 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, sie in der Lage sind, mehr mögliche Zustände und Ergebnisse zu erkunden. Quantencomputer werden Wissenschaftlern und Ingenieuren helfen, Situationen mit vielen Variablen besser zu modellieren und zu verstehen.

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 traditionelle Berechnungen mit viel größerer Geschwindigkeit durchführen können. Doch Quantencomputer-Technologie kann auch Dinge erreichen, die mit herkömmlichen Computern nicht möglich oder sehr schwierig sind.

Eine der vielversprechendsten und interessantesten Anwendungen von Quantencomputern ist im Bereich der künstlichen Intelligenz. Quantencomputer haben die Macht, die Modelle, die von neuronalen Netzen erstellt werden, sowie die Software, die sie unterstützt, zu verbessern. Google (GOOGL ) 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, was sie durch die Simulation der Eigenschaften der betreffenden Moleküle erreichen. Quantencomputer ermöglichen es Forschern jedoch, Modelle zu erstellen, die die exakten Quanten-Eigenschaften der Moleküle aufweisen, die sie untersuchen. Schnellere, genauere Molekül-Modellierung würde die Erstellung neuer therapeutischer Medikamente und neuer Materialien für die Energie-Technologie, wie z.B. effizientere Solarzellen, erleichtern.

Quantencomputer können auch die Wettervorhersage verbessern. Das Wetter ist das Ergebnis vieler Ereignisse und die Formeln, die zur Wettervorhersage verwendet werden, sind kompliziert und enthalten viele Variablen. Es kann sehr lange dauern, alle notwendigen Berechnungen durchzuführen, um das Wetter vorherzusagen, und währenddessen können die Wetterbedingungen selbst sich ändern. Glücklicherweise haben die Gleichungen, die zur Wettervorhersage verwendet werden, eine Wellen-Natur, die ein Quantencomputer ausnutzen kann. Quantencomputer können Forschern helfen, genauere Klima-Modelle 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 Personen zu schützen. Quanten-Kryptographie nutzt das Quanten-Ungewissheitsprinzip, bei dem jeder Versuch, ein Objekt zu messen, das Objekt selbst verändert. Versuche, Kommunikationen abzufangen, würden die resultierende Kommunikation beeinflussen und Anzeichen von Manipulationen zeigen.

Zukunft der Quantencomputer

Die meisten Anwendungen für Quantencomputer werden auf Akademiker und Unternehmen beschränkt sein. Es ist unwahrscheinlich, dass Verbraucher oder die Allgemeinheit 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 Superposition-Zustand zu fallen. Dies wird Dekohärenz genannt und ist einer der Gründe, warum Fortschritte bei Quantencomputern im Vergleich zu herkömmlichen Computern so langsam zu sein scheinen. Quantencomputer müssen normalerweise unter Bedingungen extremer Niedrigtemperatur, isoliert von anderen elektrischen Geräten, betrieben werden.

Even with all the precautions, noise still manages to create errors in the calculations, and researchers are looking for ways to make qubits more reliable. To achieve quantum supremacy, where a quantum computer fully eclipses the power of a current supercomputer, qubits need to be linked together. A truly quantum supreme computer could require thousands of qubits, but the best quantum computers today can typically only deal with around 50 qubits. Researchers are constantly making in-roads towards creating more stable and reliable qubits. Experts in the field of quantum computers predict that powerful and reliable quantum devices may be here within a decade.