Wir hören seit mindestens einigen Jahren von Quantencomputern. Aber was ist es? Wozu dient ein Quantencomputer? Heute geht es in einfachen Worten darum.
Quantum Computer ist eine Erfindung, auf die viele Forscher große Hoffnungen setzen und die einen positiven Einfluss auf die Entwicklung der Wissenschaft erwarten. Es ist jedoch sehr schwierig zu verstehen, wie die Quantenphysik funktioniert. Manche Physiker bezweifeln sogar, ob die aktuellen „Quantencomputer“ so heißen sollten. Das größte Hindernis beim Einsatz von Quantencomputing ist die große Anzahl von Fehlern, die schon durch kleinste Veränderungen in der Umgebung von Quantenmaschinen beeinflusst werden. Bisher ist es uns noch nicht gelungen, das Potenzial von Quantenbits voll zufriedenstellend auszuschöpfen. Heute werden wir versuchen herauszufinden, was das Besondere an genau diesen Quantenbits ist.
Gibt es Quantencomputer?
Die Essenz eines jeden echten Wissenschaftlers besteht darin, nicht zu vertrauen und ständig zu überprüfen. Ich erinnerte mich an genau diese Worte, als ich noch Student war. Und mehr als einmal überzeugte er sich von der Richtigkeit dieses Satzes. Das gilt auch für „Quantencomputer“. Warum habe ich den Namen dieser Computer zitiert? Lass es uns herausfinden.
Quantencomputer sind ein sehr komplexes Thema, aber ich werde versuchen, es so einfach wie möglich zu machen und auf zugängliche Weise darüber zu sprechen. Schon heute können Wissenschaftler, Physiker und Ingenieure die scheinbar einfache Frage diskutieren, ob es irgendwo auf der Welt einen funktionierenden Quantencomputer gibt. „Aber wie prahlen Firmen wie IBM doch mit Quantencomputern!“ – mag manch einer sagen. Und er wird recht haben. Offen bleibt, ob IBM wirklich einen Quantencomputer geschaffen oder sein Gerät einfach nur „Quantencomputer“ genannt hat.
Wenn mich einer meiner Freunde bittet, in einfachen Worten zu erklären, wie sich Quantencomputer von den Computern unterscheiden, die wir gewohnt sind, verwende ich normalerweise einen einfachen Vergleich. Wenn unsere klassischen Computer (wie z PC, Laptops dass Smartphones) sind Kerzen, dann sind Quantencomputer Glühbirnen. Der Zweck von beiden ist derselbe – bei Glühlampen und Kerzen ist es die Emission von Licht und bei Computern ist es das Rechnen. In beiden Fällen wird das Ziel jedoch völlig unterschiedlich erreicht und das Ergebnis ist unterschiedlich. Einfach ausgedrückt ist ein Quantencomputer nicht nur eine verbesserte Version moderner Computer, genauso wie eine Glühbirne nicht nur eine größere Kerze ist. Man kann keine Glühbirne herstellen, indem man Kerzen immer besser macht. Die Glühbirne ist anders Technologie, basierend auf einem tieferen wissenschaftlichen Verständnis. Ebenso ist ein Quantencomputer eine neue Art von Gerät, das auf Quantenphysik basiert, und so wie die Glühbirne die Gesellschaft verändert hat, können Quantencomputer viele Aspekte unseres Lebens beeinflussen, darunter Sicherheitsbedürfnisse, Gesundheitsversorgung und sogar das Internet.
Wenn wir also beim Vergleich von Computern mit Glühbirnen bleiben, ist das "Quanten-Joseph Swan" (der Schöpfer der ersten funktionsfähigen Glühbirne) noch nicht erschienen, und die Wissenschaft versucht es bisher mit einfachen Worten "etwas Rotes und Heißes", indem Sie prüfen, wie stark es leuchtet. Wir kennen einige der theoretischen Grundlagen der Funktionsweise von Quantencomputern, aber es gibt riesige Hindernisse für ihre Entwicklung, die noch darauf warten, gelöst zu werden.
Forschungszentren und Unternehmen auf der ganzen Welt führen weitere Tests und Forschungen durch, und Experten auf dem Gebiet der Quantenphysik sind sich einig, dass die Schaffung voll funktionsfähiger Quantenmaschinen, mit denen wir Ziele erreichen können, die in diesem Stadium unmöglich zu erreichen sind, offensichtlich Dutzende passieren wird von Jahren.
Ich glaube, und viele Wissenschaftler werden mir zustimmen, dass die Maschinen, die derzeit als Quantencomputer bezeichnet werden, einen solchen Namen überhaupt nicht verdienen. Ihnen fehlt die Fähigkeit, Berechnungen durchzuführen oder Probleme zu lösen, die wir auf normalem, klassischem Weg nicht lösen können.
Wir sind noch nicht so weit in unserer technologischen Entwicklung, dass wir in der Lage wären, eine Quantenmaschine zu erschaffen, die Probleme lösen würde, die klassischen Computern derzeit nicht zugänglich sind. Natürlich sprechen Google oder IBM von einigen durchgeführten Berechnungen, die auf klassische Weise schwierig zu machen wären, aber im Moment überzeugen sie nicht.
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Was ist ein Quant?
Was ist überhaupt ein „Quantum“? Es ist kein physisches Objekt. Der Begriff „Quanten“ wird in der Physik verwendet, um den kleinstmöglichen Bruchteil von etwas zu beschreiben. Man kann also ein „Kraftquant“, ein „Zeitquant“ oder ein „Teilchenquant“ haben. Auf diesem Weg gelangen wir zu Begriffen wie „Quantenphysik“ und „Quantenmechanik“, also zu Wissenschaftszweigen, die sich mit kleinstmöglichen Wechselwirkungen oder Systemen befassen – auf der Ebene von Atomen und sogar einzelnen Quarks.
Und jetzt sind wir beim Qubit (Quantenbit) angelangt, also der „kleinsten und unteilbaren Einheit der Quanteninformation“. Gleichzeitig kommen wir auch zum ersten Punkt, der uns über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Rechenleistung von klassischen Computern (mit Bits) und Quantencomputern (mit Qubits) aufklärt.
In klassischen Computern wird jede Information als Folge von Einsen und Nullen gespeichert. Solche Informationen werden von einem Computer, einer Konsole, einem Smartphone, Smartwatch dass Smart-TV, ähnlich den Operationen, die für diese Informationen ausgeführt werden. Egal, ob wir uns Urlaubsfotos ansehen, mit Freunden chatten, das neueste Spiel spielen oder fortgeschrittene kryptografische Berechnungen durchführen, alles geschieht in einem Binärsystem, in dem es Nullen oder Einsen gibt und sonst nichts. Tatsächlich ist es eher ein klassisches Ja oder Nein.
Wie ineffizient dieses System ist, zeigt sich, wenn wir an seine Grenzen stoßen. Und ob uns der Platz auf unseren Smartphones für ein weiteres Selfie ausgeht oder Wissenschaftler versuchen, mathematische Modelle der Entwicklung einer Pandemie zu erstellen, das Problem ist, dass es zu viele Nullen und Einsen gibt, und die Ressourcen, um sie zu speichern, und die Energie dafür berechnen sie sind nicht verfügbar.
Qubit löst dieses Problem. Diese Information nutzt Eigenschaften der Quantenphysik, die es ihr erlauben, in einer sogenannten Superposition zu bleiben. Ein Qubit kann jeden Wert zwischen 0 und 1 annehmen. Es hat die Eigenschaften des gesamten Spektrums und kann Werte wie 15 Prozent Null und 85 Prozent Eins haben. Theoretisch können Sie so viel mehr Informationen speichern oder Berechnungen beschleunigen. Gleichzeitig treten jedoch viele Probleme auf, die schwer zu kontrollieren und sogar zu verstehen sind.
Ein weiteres Merkmal von Quantencomputern, das eine zusätzliche Skalierung der Rechenleistung ermöglicht, ist die Nutzung der Quantenverschränkung. Dies ist ein Zustand, in dem zwei Qubits miteinander verbunden sind, und jedes Mal, wenn wir eines von ihnen beobachten, befindet sich das andere in genau demselben Zustand. Durch die Verschränkung können Qubits zu noch effizienteren Einheiten zur Aufzeichnung und Verarbeitung von Informationen gruppiert werden.
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Quantenausrüstung
Ein Quantencomputer besteht aus drei Hauptteilen: einem Bereich zum Speichern der Qubits, einem Verfahren zum Übertragen von Signalen an die Qubits und einem klassischen Computer zum Ausführen eines Programms und zum Senden von Anweisungen.
Das Quantenmaterial, aus dem Qubits bestehen, ist empfindlich und äußerst empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Bei einigen Qubit-Speichermethoden wird die Einheit, in der die Qubits untergebracht sind, auf einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten, um ihre Kohärenz zu maximieren. Andere Arten der Qubit-Speicherung verwenden eine Vakuumkammer, um Vibrationen zu minimieren und die Qubits zu stabilisieren.
Es gibt verschiedene Methoden, um Signale an Qubits zu übertragen, wie Mikrowellen, Laser und elektrische Spannung.
Um den normalen Betrieb von Quantencomputern herzustellen, müssen viele Probleme gelöst werden. Ein großes Problem bei Quantencomputern ist die Fehlerkorrektur, und die Skalierung (Hinzufügen weiterer Qubits) erhöht ihre Frequenz weiter. Aufgrund dieser Einschränkungen ist ein Quanten-Personalcomputer auf Ihrem Schreibtisch noch eine ferne Zukunft, aber kommerzielle Quantencomputer werden möglicherweise in naher Zukunft verfügbar sein. Lassen Sie uns ausführlicher darüber sprechen.
Probleme von Quantencomputern
Quantencomputer haben jedoch ein großes Problem. Das heißt, Wissenschaftler haben ein großes Problem mit ihrer Nutzung, denn Qubits brauchen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine ausreichend ruhige Umgebung, um jegliche Daten von ihnen fehlerfrei auslesen zu können. Jeder noch so kleine Verstoß macht es unmöglich, die Informationen genau zu lesen.
Auch bei klassischen Computern spielte ein ähnliches Problem früher eine wichtige Rolle, ist aber heute so unbedeutend, dass es selbst in der akademischen Wissenschaft oft übersehen wird. Wir sprechen von der Fehlerquote. Es ist ein Indikator, der bestimmt, welcher Anteil an Bits oder Qubits von Informationen beschädigt werden kann. Dies kann beispielsweise bei Überspannung oder anderen Störungen geschehen.
Bei klassischen Geräten liegt die Fehlerwahrscheinlichkeit bei etwa eins zu 1017 bisschen Bei Quantencomputern ist dies noch einer von mehreren Hundert. Und das in einer Situation, in der Quantencomputer unter isoliertesten Bedingungen und bei einer Temperatur von -272 Grad Celsius, also knapp über dem absoluten Nullpunkt, arbeiten. Jegliche Temperaturschwankungen, Änderungen des elektromagnetischen Feldes und sogar Bewegungen zerstören die gesamte Berechnung.
Ein weiteres Problem ist die „Instabilität“ von Quantenzuständen. Jedes Mal, wenn wir einen Quantenzustand messen oder stören wollen, kehrt er zu einer von zwei Positionen zurück, null und eins. In diesem Fall zerfällt der Quantenzustand. Dieser Vorgang wird als Quantendekohärenz bezeichnet.
Stellen Sie sich das so vor: Ein Quantencomputer ist ein erfahrener Mathematiker, der komplexe Berechnungen durchführt, und seine Ergebnisse liegen zwischen 0 und 1 Million. Wir wiederum sind ein Kind, das nur versteht, dass etwas zu viel oder zu wenig sein kann. Wann immer ein Mathematiker unterschiedliche Ergebnisse haben könnte, wie z. B. 356 oder 670,23, würde nach unserem Verständnis der Welt jedes dieser Ergebnisse als wenige (1) oder viele (846) klassifiziert, ohne einen bestimmten Unterschied zwischen den beiden zu definieren. Das ist Quantendekohärenz. Die einzige Möglichkeit, eine korrekte Berechnung durchzuführen, besteht darin, die mathematische Arbeit zu garantieren, bevor sie abgeschlossen ist.
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Wofür werden wir Quantencomputer verwenden?
Heute stellt sich die Frage, wofür Quantencomputer verwendet werden können, genau wie vor 20 Jahren, wofür ein Smartphone verwendet werden kann. Natürlich gibt es bereits einige Pläne und Vermutungen, aber die interessantesten Richtungen für den Einsatz von Qubits werden sich wohl mit der Verbreitung von Quantencomputern zeigen.
Kryptographie ist eines der beliebtesten Gebiete, in denen Quantencomputer am häufigsten verwendet werden. Die Sache ist, dass es eine Methode sein wird, Informationen auf sehr sichere Weise zu übertragen, und die Sicherheit basiert nicht auf der Komplexität von Rechenprozessen, sondern auf den Gesetzen der Physik, die Vertrauen geben, dass bestimmte Dinge einfach unmöglich sind. Und in diesem Moment wird es unmöglich sein, zuzuhören, zu spionieren, zu hacken.
Die Sicherheit wird in diesem Fall durch die physikalischen Eigenschaften von Qubits garantiert, die, wie ich bereits erläutert habe, keine Überlagerungsmerkmale mehr zeigen, sobald sie beobachtet werden. Jeder Versuch, die verschlüsselte Nachricht abzufangen oder auch nur zu kopieren, wird sie einfach zerstören.
Quantencomputer können uns auch helfen, natürliche Prozesse besser zu verstehen. Das „Chaos“ der Überlagerung spiegelt viel besser die Art und Weise wider, wie zum Beispiel Mutationen in der DNA und damit die Entstehung von Krankheit und Evolution. Quantencomputing wird bereits heute genutzt, um neue Medikamente zu entwickeln.
Vielleicht ist es sinnvoll, über den Einsatz von Quantencomputern zur Datenteleportation zu sprechen. Ja, genau die Teleportation von Daten und möglicherweise einer Person. Wir werden in der Lage sein, Informationen von Ort zu Ort zu teleportieren, ohne sie physisch zu übertragen. Es klingt wie Fantasie, aber es ist möglich, denn diese Fluidität von Quantenteilchen kann sich in Zeit und Raum verwickeln, so dass eine Veränderung in einem Teilchen ein anderes beeinflussen kann, und dies schafft einen Kanal für die Teleportation. Dies wurde bereits in Laboren demonstriert und könnte Teil des Quanteninternets der Zukunft sein. Wir haben noch kein solches Netzwerk, aber einige Wissenschaftler arbeiten bereits an diesen Möglichkeiten und simulieren ein Quantennetzwerk auf einem Quantencomputer. Sie haben bereits interessante neue Protokolle entwickelt und implementiert, wie Teleportation zwischen Netzwerkbenutzern und effiziente Datenübertragung und sogar sichere Abstimmungen.
Es sollte auch gesagt werden, dass Quantencomputer verwendet werden sollten, um verschiedene Situationen zu simulieren und Lösungen für Probleme zu finden, einschließlich Medikamente und Impfstoffe. Zum Beispiel während Pandemien wie dem Coronavirus, wenn eine schnellere Berechnung und Berechnung von Optionen erforderlich ist. Hier können Sie die Möglichkeit der Quantenmodellierung nutzen, die auf einem klassischen Computer nicht durchgeführt werden kann. Wenn eine neue Krankheit auftaucht, dauert der Prozess der Suche nach einem Heilmittel etwa 15 Jahre und kann bis zu 2,6 Milliarden US-Dollar kosten. Bei einigen Krankheiten ist es notwendig, Millionen von Molekülen zu filtern, um nur Hunderte von vielversprechenden Personen zu identifizieren, die wahrscheinlich Spender werden. Dann werden während des Tests etwa 99 % der Moleküle verworfen, unter anderem aufgrund falscher Vorhersagen des Verhaltens und Probenbeschränkungen. Hier kämen Quantencomputer ins Spiel.
Und das sind nur einige der wunderbaren Ideen, was man mit der Quantenphysik erreichen kann. Derzeit gelingt es uns, ihren kapriziösen Charakter einigermaßen zu zähmen, aber alle Entwicklungen befinden sich noch im Anfangsstadium. Die Schaffung eines echten Quantencomputers und seiner Massenanwendung ist noch ziemlich weit entfernt, aber der Fortschritt steht nicht still. Vielleicht lesen Sie also in etwa zehn Jahren diesen Artikel mit Hilfe eines Quantencomputers und lächeln herablassend.
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