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EIN Quantencomputer (ebenfalls Quantencomputer) ist eine neue Art Computer bei dem die Prozessor verwendet die Prinzipien der Quantenmechanik. Ein solcher Prozessor kann die gleichen Berechnungen parallel (parallel) über eine sehr große Datenmenge durchführen. Dieser ist damit um ein Vielfaches schneller als ein herkömmlicher Computer, kann aber nur für ganz bestimmte Aufgaben eingesetzt werden. Das Konzept des Quantencomputers war schon am Anfang achtziger Jahre beschrieben von Paul Benioff, Yuri Manin und Richard Feynman. In den folgenden Jahren entwickelte sich David Deutsch und Peter Schoro das Konzept weiter. Aufgrund der großen (theoretischen) Möglichkeiten,^{[(seit wann?]} , nach initial Skepsis, hat weltweit viel Geld in die Forschung investiert. Im 2017 IBM hat einen Prototyp eines Quantencomputers in Form eines Online-Dienstes entwickelt.^[1]

Operation

Bausteine

Ein Quantencomputer nutzt die QuanteneffekteVerstrickung, Überlagerung und Interferenz, diese Quantenteilchen wie a Elektron oder Photon kann unter Umständen ausgestellt werden.^[2]

• Überlagerung eines Teilchens bedeutet, dass zum Beispiel die Spinne davon (normalerweise nur ein möglicher Wert) alle möglichen Werte gleichzeitig nehmen kann. Erst wenn etwas unternommen wird, um den Spin zu messen, fällt das Teilchen auf einen Wert zurück. Die Überlagerung wird dann unterbrochen.
• Quantenverschränkung von zwei gepaart Elementarteilchen bedeutet, dass zwischen diesen beiden Teilchen eine Verbindung besteht, die unabhängig vom Abstand zwischen ihnen ist. Wenn man den Zustand eines Teilchens misst, weiß man auch sofort wie der Zustand des anderen Teilchens ist, wie weit sie auch immer voneinander entfernt sind.
• Interferenz wobei der Wellencharakter eines Quantenteilchens durch ein anderes Quantenteilchen verstärkt oder ausgelöscht wird.

Wenn diese drei Eigenschaften richtig ausgenutzt werden, kann ein Quantenteilchen von mehreren Positionen (innerhalb eines Chips) manipuliert werden, ohne seine Überlagerung zu verlieren.

Qubits

Das Zustandsraum eines Qubits, das als quantenmechanische Version des klassischen Datenbits angesehen werden kann

Der Speicher des Quantencomputers besteht aus Qubits. Dies sind Partikel in Überlagerung, die durch ein ausgeklügeltes Muster miteinander verschränkt sind. In Überlagerung hat a qubitgleichzeitig das binär Werte 0 und 1 statt 0 oder 1. Mathematisch wird ein Qubit also beschrieben als Überlagerung (oder lineare Kombination) von einem "0"-Zustand und einem "1"-Zustand.

${Displaystyle-Quad |psi-Winkel =alpha |0Winkel eta |1Winkel}$

Bei welchem ${Displaystil |alpha |^{2}}$ und ${Anzeigestil | eta |^{2}}$ die Wahrscheinlichkeiten sind (bzw.) den "0"-Zustand ${Anzeigestil |0Winkel}$ oder der "1"-Zustand ${Anzeigestil |1Winkel}$ während einer Messung zu messen. Physikalisch sind Qubits in einem Zwei-Niveau-System implementiert, zum Beispiel als Eigenzustände eines Elektrons (Spinne) in einem externen Magnetfeld. Ein Qubit kann also tatsächlich den Wert zwei haben Bits gleichzeitig haben. Der Quantenprozessor führt Manipulationen an den Qubits im Speicher durch, indem er Eingaben aus demselben Speicher verwendet. Wenn dieser Prozessor jedoch einen Wert abruft, ruft er sowohl den Wert 0 als auch 1 ab, und wenn er ein Qubit manipuliert, wird diese Operation sowohl für den Wert 0 als auch für 1 ausgeführt. Mit zunehmender Anzahl der Qubits steigt die Rechenleistung exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Wenn diese Zahl n ist, sagen wir 8, dann läuft der Prozessor für alle möglichen Eingaben (2^nein = 256) führen Sie dieselbe Berechnung durch. Ein klassischer Computer müsste genau 256 Mal dieselbe Aktion ausführen. Natürlich werden nicht alle 256 Ein- und Ausgänge Sinn machen, aber einige werden es tun. Ein Quantencomputer kann daher extrem schnell parallele Berechnungen an einem Datensatz durchführen, der selbst von den schnellsten herkömmlichen Computern nicht verarbeitet werden kann.^[3]

Die Berechnung

Ein Problem beim Lesen eines Qubits besteht darin, dass die Überlagerung sofort auf 0 oder 1 abfällt, wodurch die ganze Berechnung umsonst ist. Um dies zu umgehen, gibt es die folgende Lösung. Zunächst werden die Qubits im Speicher überlagert. Darauf wird dann eine Berechnung durchgeführt und die Antwort wird in den Speicher geschrieben. Die Qubits, die die Antwort enthalten, sind überlagert, aber so manipuliert, dass sie die gewünschte Antwort anzeigen. Aufgrund der Quantenverschränkung betrifft dies die Qubits, die die Ausgangsfrage enthalten. Diese verfallen nun in einem Zustand, in dem sie die anfängliche Eingabe anzeigen. Frage und Antwort sind also tatsächlich vertauscht. Zum Beispiel: Jemand möchte wissen, welche zwei Primzahlen miteinander multipliziert werden müssen, um die Zahl 1829 zu erhalten. Es wird ein Programm geschrieben, das zwei Zahlen multipliziert. Die Eingabe besteht aus überlagerten Qubits, die die beiden Primzahlen darstellen, die Berechnung wird durchgeführt und die Ausgabe wird in den Speicher geschrieben. Frage und Antwort befinden sich noch in Überlagerung. Die Ausgabe wird dann so manipuliert, dass die Qubits, die die Antwort enthalten, die Zahl 1829 anzeigen. Aufgrund der Quantenverschränkung fallen die Qubits, die die Eingabe enthalten, immer noch auf die Zahlen 31 und 59. Diese Eingabe kann nun gelesen werden.

Algorithmen

Da ein Quantencomputer grundlegend anders funktioniert als ein herkömmlicher Computer, trennen Programmiersprachen wird entwickelt. Ein Programm auf einem Quantencomputer muss deterministisch sein, der Zufall sollte also keine Rolle spielen. Nachfolgend sind einige wichtige Algorithmen aufgeführt:^[2][4]

• Das Quanten-Fourier-Transformation ist das Quantenanalogon zum klassischen to Fourier-Transformation, und ist exponentiell schneller als der bekannteste klassische Algorithmus.
• Es Algorithmus zur Quantenphasenschätzung (Englisch: Phasenschätzungsalgorithmus) ist ein Algorithmus, mit dem die Eigenwerte einer unitären Transformation geschätzt werden kann, beruht auf der Quanten-Fourier-Transformation und ist ein wichtiger Baustein in viel komplexeren Algorithmen.
• Es Algorithmus von Shor ist bestimmt für Primfaktoren finden. Denn viele klassische Verschlüsselungsmethoden wie RSA Aufgrund der Tatsache, dass das Auffinden von Primfaktoren großer Zahlen sehr schwierig ist, stellt dieser Algorithmus eine Bedrohung für moderne Verschlüsselungsverfahren dar. Es gibt aber auch klassische Verschlüsselungsverfahren, die nicht auf das Auffinden von Primfaktoren angewiesen sind und daher unseres Wissens in einem Post-Quantum-Computing-Zeitalter sicher sind.
• Es Grovers Algorithmus soll unsortierte Daten durchsuchen.

DiVincienzo-Kriterien

Im Jahr 2000 formulierte der amerikanische Physiker David DiVincienzo eine Reihe von Kriterien, die ein physikalisches System mindestens erfüllen muss, um einen Quantencomputer zu bauen.^[5] Es heißt daher die DiVincienzo-Kriterien. Diese sind:

1. Ein skalierbares physikalisches System mit gut charakterisierten Qubits.
2. Fähigkeit, den Zustand aller Qubits in einen einfachen, fest definierten Zustand zu initialisieren
3. Lange, relevante Dekohärenzzeiten
4. Ein "universelles" Set auf Quantentore
5. Die Fähigkeit, Qubits zu lesen (Qubit-spezifisch)

Vor dem Quantenkommunikation Es gibt zwei zusätzliche Kriterien:

1. Die Fähigkeit, stationäre und fliegende Qubits zu verbinden
2. Die Fähigkeit, fliegende Qubits zwischen bestimmten Orten zu verbinden

Stabilität eines Quantenprozessors

Ein Nachteil von Prozessoren, die mit Qubits arbeiten, ist, dass Quanteneffekte wie Verschränkung und Überlagerung sehr leicht gestört werden (Dekohärenz). Der Trick besteht daher darin, diesen speziellen Quantenzustand lange genug stabil zu halten, um Daten eingeben, verarbeiten und lesen zu können, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Dies bildet ein Hindernis für die Entwicklung von Quantencomputern. Schließlich kann ein Quantenprozessor nur eine bestimmte Anzahl von Berechnungen durchführen, bevor die Überlagerung eines der Qubits von selbst abläuft. Je größer der Arbeitsspeicher, desto schneller zerfällt eines der Qubits. Dies ist ein Hindernis sowohl für die Größe des Speichers als auch für die Länge eines Algorithmus.^[2] Vielleicht werden Quantenprozessoren immer instabil bleiben und ein gewisses Maß an Unzuverlässigkeit aufweisen. Wenn dies der Fall ist, müssen Berechnungen mehrmals wiederholt werden, um zu sehen, ob sie immer das gleiche Ergebnis liefern, und möglicherweise eine zusätzliche Überprüfung mit einem einfacheren Algorithmus auf einem herkömmlichen Computer erforderlich sein. Zum Beispiel indem man mit einer Rechnung prüft, ob zwei miteinander multiplizierte Primzahlen tatsächlich zu einer bestimmten Zahl führen.

Die Forschung an Quantenprozessoren konzentriert sich bisher vor allem darauf, diesen Quantenzustand unter Kontrolle zu bringen und zu halten. Eine wichtige Frage dabei ist, was genau der ideale Baustein für ein Qubit wäre. Einige Möglichkeiten sind Elektronen, Photonen, Atomkerne oder Ionen, und der Majorana-Partikel.

Verbesserung von Quantenfehlern

Die Stabilität von Quantenprozessoren kann durch den Einsatz von Quantenfehlerverbesserung verbessert werden. Quantenfehlerkorrektur). Wirksam logische Qubits in mehreren kodiert physikalische Qubits. Es ist das Analogon zu klassischen Computerfehlerkorrekturcodes, bei denen ein Überschuss an physikalischen Bits verwendet wird, um Informationen mit sogenannten Gebissabdeckungen (Englisch: bisschen Flip), d. h. ein Bit wechselt von 0 auf 1 oder umgekehrt. Im Gegensatz zu klassischen Computern haben Qubits a Kontinuum mögliche Fehler. Man kann sich den Quantenfehler als ungewollte zufällige Drehung eines Qubit-Zustands auf der Bloch bol, was deutlich macht, dass bei Quantenfehlern tatsächlich ein Fehlerkontinuum möglich ist.

Kurzer Fehlerkorrekturalgorithmus

Zunächst schien das mögliche Fehlerkontinuum ein großes Problem für die Quantenfehlerkorrektur zu sein, da es sehr schwierig schien, ein Spektrum von Fehlern zu korrigieren. Allerdings im Jahr 1995 heiser gezeigt, dass eine Quantenfehlerkorrektur tatsächlich möglich ist.^[6] Durch die Anwendung Kurzer Fehlerkorrekturalgorithmus (nicht austauschbar mit dem Primfaktoralgorithmus von Shor) kann die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers während einer Berechnung effektiv reduzieren. Der Bugfix-Code von Shor verwendet 9 physische Qubits, um 1 sogenanntes zu erstellen logisches Qubit das ist fehlerresistenter.^[4][6] Durch das Übereinanderlegen mehrerer Schichten von Fehlerkorrekturcodes lässt sich die Präzision von Quantencomputern prinzipiell unendlich verbessern. Dies erfordert jedoch exponentiell mehr Qubits pro Schicht, sodass mehrere Schichten von Fehlerkorrekturcodes schnell unpraktisch werden. Darüber hinaus müssen Qubits in der Lage sein, sich miteinander zu verbinden, und die Konnektivität zwischen Qubits ist oft ein Problem, das die Möglichkeit einschränkt, Codes zwischen einer großen Anzahl von physischen Qubits anzuwenden. Ein letztes Problem besteht darin, dass existierende Fehlerkorrekturcodes davon ausgehen, dass das Codieren der physikalischen Qubits in ein logisches Qubit nicht bereits einen Fehler verursacht.^[4] Ist dies der Fall, wird auch ein Quantenfehler des logischen Qubits falsch korrigiert. Je mehr Schichten von Fehlerkorrekturcodes, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass bereits während der Codierung ein Fehler auftritt.

Andere Fehlerkorrekturcodes

Neben dem Schor-Code wurden auch die 7-Qubit- und 5-Qubit-Verbesserungscodes erfunden.^[4] Diese Korrekturcodes benötigen weniger Qubits, um Quantenfehler zu korrigieren. Der 5-Qubit-Code hat sich als der kleinstmögliche Fehlerkorrekturcode erwiesen.^[4] Es gibt auch topologische Verbesserungscodes.^[7]

Robustes Quantencomputing

Zum Vergleich: Die Wahrscheinlichkeit einer Bitänderung auf klassischen Computern liegt in der Größenordnung von 1 in ${Anzeigestil 10^{17}}$ Operationen, bei Quantencomputern liegt dies je nach System in der Größenordnung von 1 in der ${displaystyle 10^{2}sim 10^{3}}$ Operationen.^[4] Für robustes Quantencomputing unter Verwendung von Fehlerkorrekturcodes wird erwartet, dass diese Fehlerspanne mehrere Größenordnungen von beträgt ${Anzeigestil 10}$ sollte kleiner werden.

Binärcomputer vs Quantencomputer

Es wird erwartet, dass die ersten Quantencomputer nicht für schnelles lineares Arbeiten geeignet sein werden. Ein Quantenprozessor braucht viel Vorbereitungszeit, um an die Arbeit zu kommen. Zunächst müssen die Qubits überlagert und miteinander verschränkt werden. Danach können eine Reihe von Berechnungen durchgeführt werden. Sowohl die Vorbereitung als auch das Lesen der Antworten wird wahrscheinlich viel Zeit in Anspruch nehmen und auch die Berechnungen selbst werden langsam sein. Andererseits kann ein Quantencomputer mit wenigen Berechnungen zur gleichen Antwort kommen, wo ein herkömmlicher Computer viele Jahre arbeiten muss. Ein konventioneller Prozessor arbeitet also seriell und ein Quantenprozessor nur kurzzeitig aber parallel. Quantenprozessoren sind daher nicht geeignet für pc, Smartphone oder Spielcomputer. Außerdem muss ein Quantenprozessor durch verschiedene Maßnahmen stabil gehalten werden, unter anderem durch extreme Kühlung. Vielleicht werden Quantenprozessoren in den Wolke. Anwendungen, die mit einem Quantencomputer viel schneller sein werden, sind:

• Das Knacken von Verschlüsselung, möglicherweise mit dem Algorithmus von Shor. Dies kann erfolgen, indem eine Berechnung mit allen möglichen Verschlüsselungsschlüsseln auf einmal durchgeführt wird und nach dieser Berechnung sofort der richtige Schlüssel identifiziert wird.^[8]
• Durchsuchen einer neuen Art von Datenbank, bei der der Quantenprozessor alle Zeilen in der Datenbank auf einmal durchsucht, anstatt jede Zeile einzeln.
• Quantensimulation, Simulation Quanteneffekte und chemische Reaktionen.^[2]Richard Feynman hat einmal gesagt, wenn man die Natur simulieren will, braucht man dafür einen Quantencomputer.
• Auf dem Gebiet der künstliche Intelligenz, zum Beispiel wird an besseren Formen der maschinelles Lernen durch ein Quantencomputer.^[2]

Auswirkungen

Wenn es gelingt, einen richtig funktionierenden Quantencomputer zu bauen, wäre das eine große Hilfe für die wissenschaftliche Forschung. Man könnte gigantische Mengen Termine und daraus alle möglichen Verbindungen und Muster zu destillieren. Da dies eine der Grundvoraussetzungen für neue wissenschaftliche Erkenntnisse ist, bedeutet dies eine gewaltige Revolution für die Wissenschaft. Es wäre auch sehr ausführlich Simulationen Theorien zu testen und zu verfeinern. Es ist möglich, dass auch der Rest der Gesellschaft die Folgen beispielsweise in der Unterhaltungsindustrie (Filme, Spiele usw.) zu spüren bekommt.

Eine weniger wünschenswerte Konsequenz wäre, dass man nach einem anderen System suchen müsste, um sensible Informationen im Internet zu finden Verschlüsseln. Heutzutage verwenden viele Programme dort Primzahlen vor dem. Ein aktuelles Beispiel ist das Online-Banking-Programm, mit dem die meisten Banken Transaktionen sicher und schnell machen. Es werden zwei sehr große Primzahlen verwendet, die miteinander multipliziert werden. Ein herkömmlicher Computer kann diese beiden Zahlen unmöglich in angemessener Zeit finden. Aber ein Quantencomputer könnte dies im Prinzip tun. Dann ein Verbrecher Computer-Hacker können schnell eine große Anzahl verschlüsselter Transaktionen abfangen und zu ihrem eigenen Vorteil ändern. Tatsächlich ist ein Großteil unseres vertraulichen Internetverkehrs verschlüsselt, aber wenn diese verschlüsselten Daten bereits irgendwo gespeichert sind, können diese Informationen in naher Zukunft mit einem Quantencomputer entschlüsselt werden. Andererseits können Sicherheitsexperten für Banksoftware natürlich auch mit Quantencomputern noch schwieriger zu knackenden Code entwickeln, der dann selbst mit einem Quantencomputer nicht nachweisbar wäre.

Niederländische Forschung

Das Tu Delft und TNO sind mit ihrer Abteilung Qutech-Zentrum unter der wissenschaftlichen Leitung von Ronald Hanson, das 2013 eigens gegründet wurde, um innerhalb von fünf Jahren einen funktionierenden Prototyp eines Quantencomputers zu realisieren, ist eines der bedeutendsten Forschungszentren der Welt.^[9][10][11]

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