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Hier finden Sie alles, was Sie über Quantencomputer wissen müssen

Hier finden Sie alles, was Sie über Quantencomputer wissen müssen

Quantencomputer bieten uns eine verlockende Vision unserer Zukunft. Sie werden die Zukunft mit Hochleistungsrechnern versorgen und vielleicht sogar klassische Computer ersetzen. Trotz des Versprechens sind sie noch nicht allgemein verfügbar oder tatsächlich nützlich. Lassen Sie uns vielleicht in die "gruselige" Zukunft der Informatik eintauchen.

Im folgenden Artikel werden wir untersuchen, was sie sind, einen kleinen Teil ihrer Geschichte, potenzielle Anwendungen und natürlich ihre potenziellen Kurzgaben ansprechen. Eine vollständige Bewertung dieses Bereichs ist eindeutig nicht Gegenstand des folgenden Textes. Lassen Sie uns jedoch einen kurzen Blick auf diese möglicherweise bahnbrechende Technologie werfen.

Ich bin "da" Gesetz

1947 machte Howard Aiken eine kühne Vorhersage. Er erklärte, dass "nur sechs elektronische Digitalcomputer die Computeranforderungen der Vereinigten Staaten erfüllen würden". Springen Sie siebzig Jahre vorwärts und wir können deutlich sehen, dass dies etwas untertrieben war. Unser Wissensdurst und unsere Verarbeitungsgeschwindigkeit haben diese bescheidene Schätzung deutlich übertroffen. Aiken hätte niemals vorhersagen können, wie viel Daten für die moderne Welt erforderlich sind. Mit dem Aufkommen des Internets, des Spielens und natürlich dem Aufkommen der sozialen Medien können wir eine so niedrige Schätzung verzeihen.

Das Moore'sche Gesetz besagt, wie wir umschreiben, dass sich die Anzahl der Transistoren (oder der Leistung) auf Mikroprozessoren jeweils verdoppeln wird 18 Monate und Mikroprozessoren zwischen 2020 und 2030 finden Schaltkreise auf einem Mikroprozessor, die auf atomarer Ebene gemessen werden. Heiliger Bimbam! Dies erfordert natürlich einen echten Quantensprung in der Technologie. Dies erfordert logischerweise Quantencomputer, die die Quanten- "Kraft" von Atomen und Molekülen nutzen, um Verarbeitungs- und Speicheraufgaben auszuführen.

Quantencomputer würden möglicherweise die verbesserte Rechenleistung liefern, die erforderlich ist, um die derzeitigen Computer auf Siliziumbasis bei weitem zu übertreffen. Hört sich toll an, oder? Halten Sie Ihre Pferde dort "Kerl", wenn nur alles so einfach wäre. Quantencomputer sind möglicherweise nicht das Allheilmittel, an das wir glauben.

[Bildquelle: Pixabay]

Quantencomputer: Was sind sie?

Sie haben wahrscheinlich bereits eine Idee zu diesen Geräten, aber beginnen wir mit einer Definition: -

"Ein Computer, der die Quantenzustände subatomarer Teilchen nutzt, um Informationen zu speichern." - Englisches Oxford Wörterbuch

Das sagt uns alles, was wir wissen müssen, oder? Großartig, Sie können den Rest des Artikels überspringen.

Immer noch hier? Gut für Sie, für diejenigen von uns, die mehr nachfragen, lassen Sie uns etwas tiefer graben ...

Grundlegende Quantencomputer wurden bereits gebaut, um grundlegende Berechnungen durchzuführen. Tatsächliche praktische Beispiele sind leider Jahre entfernt. Die Ursprünge dieser mystischen Maschinen gibt es seit fast dem gesamten 20. Jahrhundert. Quantencomputer wurden erstmals vor etwa 30 Jahren von Paul Benioff vom Argonne National Laboratory theoretisiert. Er theoretisierte 1981 erstmals die Quantentheorie für Computer. Er schlug vor, eine Turing-Maschine auf der Quantenskala zu entwickeln. Tatsächlich basiert das Computergerät, das Sie gerade verwenden, auf der Turing-Maschine!

[Bildquelle: Wikimedia Commons]

Turing Sie großartig (expletive einfügen)

Alan Turing entwickelte seine berühmte Maschine in den 1930er Jahren. Dies war (ist) ein theoretisches Gerät, das aus einem nie endenden Band besteht, das in diskrete Teile oder Quadrate unterteilt ist. Jedes Segment hatte einen Wert von 1 oder 0 oder wurde natürlich leer gelassen. Das Band wird von einem Gerät gelesen, das den "Code" übersetzt, um eine Reihe von Anweisungen bereitzustellen. Wir kennen das heute als binär. Dies ist, wie sich herausstellt, theoretisch etwas zu kurz zu verkaufen.

Bei einem Quanten- "Upgrade" dieses Geräts existiert das "Band" in einem Quantenzustand, ebenso wie das Lesegerät. Dies bedeutet, dass die Maschine entweder die Werte 1 oder 0 oder eine Überlagerung von 1 und 0 lesen kann. Überlagerung, sagen Sie? Nun, mein Freund, das bedeutet einfach, dass Sie entweder 1 oder 0 oder einen beliebigen Punkt zwischen den beiden oder beiden lesen können. Oh und gleichzeitig "booten"!

Aufgrund des Phänomens, dass ein Quantencomputer mehrere Zustände gleichzeitig enthalten kann, können sie um Größenordnungen leistungsfähiger sein als herkömmliche Computer.

Wie Quantencomputer funktionieren

Quantencomputer sind im Wesentlichen die Tatsache, dass die Dinge im Quantenbereich nicht so eindeutig sind, wie Sie es in unserer makroskopischen Welt erwarten würden. Subatomare Teilchen wie Elektronen und Photonen können gleichzeitig in Zuständen existieren, die sich normalerweise gegenseitig ausschließen. Sie können sich tatsächlich an mehreren Orten gleichzeitig befinden. Im Fall von Photonen könnten sie beispielsweise zwei Arten von Polarisation aufweisen. In unserem täglichen Leben beobachten wir diese Art der Überlagerung aufgrund der von Erwin Schrödinger beschriebenen Phänomene und seiner sadistischen Gewohnheit, Katzen in Kisten zu stecken, nie wirklich. Schlechter Schrödinger!

Die seltsame und noch ungeklärte Beseitigung der Überlagerung, wenn Sie das System beobachten, beispielsweise wenn Sie versuchen, den Ort eines Elektrons zu messen, bietet ein fantastisches Rechenpotential. Überlagerung befreit uns effektiv von binären Einschränkungen. Zumindest theoretisch nutzen Quantencomputer die Überlagerung.

Sie könnten denken, dass dies mit traditioneller Physik erreicht werden könnte, selbst wenn zwei gewöhnliche Bits gleichzeitig verwendet werden. Wenn dies der Fall wäre, wären Quantencomputer nicht so beeindruckend, oder? In einem System mit mehr als einem Qubit müssen Sie sich daran erinnern, dass jede einzelne Komponente nicht unabhängig von der nächsten ist. Sie sind in der Tat verwickelt. Wenn Sie eines von zwei verschränkten Qubits messen oder beobachten, erhalten Sie einen Wert. Aber ... Sie bekommen auch gleichzeitig den Wert des anderen. Die Partikel müssen sich nicht einmal an derselben Stelle befinden. Einstein nannte Verstrickung einmal "gruselige Fernwirkung". Das folgende Video von Veritasium gibt uns einen guten Überblick über Quantencomputer.

Maschine bauen

Der Bau eines Quantencomputers wird keine leichte Aufgabe sein. Obwohl das Bauen traditioneller Bits in klassischen Computern für uns heutzutage eine Selbstverständlichkeit ist, ist die Herstellung von Qubits alles andere als einfach.

Wir sind uns noch nicht sicher, wie wir am besten ein Qubit machen können. Die Techniken variieren vom Einfangen von Ionen, Elektronen oder anderen subatomaren Partikeln. Andere schlagen die Verwendung von Supraleitern zur Herstellung mikroskopischer Quantenschaltungen vor. Andere haben vorgeschlagen, Photonen und komplexe optische Geräte zu verwenden, um die erforderliche "Hardware" herzustellen.

Welchen Weg wir auch gehen oder sogar eine Kombination aus allen dreien, alle haben etwas sehr Wichtiges gemeinsam. Sie sind alle derzeit im kleinen Maßstab plausibel, im großen Maßstab jedoch schwer zu realisieren. Bis dieses Problem gelöst ist, sind Quantencomputer derzeit begrenzt.

Die größte Hürde, die es zu überwinden gilt, ist die sogenannte Quantendekohärenz. Quantensysteme müssen im Wesentlichen vom Rest der Welt um sie herum isoliert sein, um funktionieren zu können. Alle winzigen Wechselwirkungen führen dazu, dass das gesamte System entkoppelt und in einen binären Zustand zusammenbricht. Dies beschränkt sich nicht nur auf das Hauptsystem, sondern auch auf dessen Gubbins. Quantengatter, Kernspins von Qubits und Gitterschwingungen können beispielsweise auch Dekohärenzwirkungen hervorrufen. Ah Mann, wie könnten wir das lösen? Nun, wir könnten uns für eine akzeptable Fehlerrate entscheiden, oder vielmehr für die Dekohärenz, mit der wir gerne "leben". Dann entwerfen Sie den Rest von dort.

Obwohl dies selbst bei geringer Fehlerrate keine perfekte Lösung ist, erhalten wir dennoch den größeren Nutzen des Quantencomputers. Es ist ein Kompromiss.

Verstrickung lösen

Verschränkung bedeutet, dass Sie die Beschreibungen der einzelnen Qubits nicht einfach aneinander reihen können. Sie müssen alle Korrelationen zwischen ihnen beschreiben. Wenn Sie die Anzahl der Qubits erhöhen, nehmen die relativen Korrelationen exponentiell zu. Für n Qubits wachsen die Korrelationen exponentiell. Dies bedeutet, dass es schnell "explodiert". Wenn Sie ein System mit nur 300 Qubits beschreiben möchten, erreichen Sie eine Reihe möglicher Korrelationen, die die Anzahl der Atome im bekannten sichtbaren Universum überschreiten! Heiliger Bimbam.

Können Sie sich eine Reihe so großer Möglichkeiten vorstellen? Man konnte es einfach nicht bewältigen, die in einem solchen System enthaltenen Informationen mit klassischen Bits aufzuschreiben. Ein Computer, der mit Qubits betrieben wird, könnte Aufgaben ausführen, auf die ein klassischer digitaler Computer wahrscheinlich niemals hoffen könnte. Das Potenzial ist enorm und aufregend.

Klingt fantastisch, oder? Es gibt jedoch ein Problem. Jeder "Leser" oder Algorithmus würde Daten von überlagerten Qubits als Eingabe nehmen. Die Ausgabe wäre aber auch in einem Quantenzustand. Diese Informationen ändern sich auch, wenn Sie versuchen, sie zu beobachten! "Die Natur zieht hier einen Trick", sagt Richard Jozsa, ein Pionier des Quantencomputers an der Universität von Cambridge.

"Sie aktualisiert einen Quantenzustand, aber dann erlaubt sie dir nicht, alle Informationen zu erhalten."

Die Lösung von Quantum Computing besteht darin, Methoden bereitzustellen, mit denen so viele Informationen wie möglich aus dem Unbeobachtbaren gewonnen werden können.

Mit gutem Beispiel vorangehen

Jedes Rechengerät stützt sich auf Algorithmen, um Berechnungen durchzuführen und Programmen zu folgen. Richard Jozsa und David Deutsch haben ein Beispiel für einen Algorithmus für Quantencomputer entwickelt. Ihre Aufgabe ist etwas seltsam, aber tragen Sie sie mit uns. Stellen wir uns zur Erklärung eine Reihe von Personen vor, die darauf warten, ein Tor mit einer begrenzten Kapazität zu betreten. Die Überwachung des Eingangs erfolgt durch einen kräftigen Sicherheitsbeamten, der Ihren Eintritt einfach anhand Ihres vorab zugewiesenen Armbandes ermöglicht. Jedes Armband hat Saiten mit drei Nullen oder Einsen.

Es gibt 8 Personen in der Warteschlange oder zwei hoch 3. Jeder der "Gäste" hat eine eindeutige Folge von Nullen und Einsen an seinen jeweiligen Armbändern. Der Wachmann zeichnet seine Entscheidungen auf, indem er einer bestimmten Bitfolge eine 1 zuweist, wenn er jemanden hereinlässt, oder eine 0, wenn er dies nicht tut. Dies wird als boolesche Funktion bezeichnet. Dies ist eine Regel, die einer Bitfolge eine 0 oder 1 zuweist. Sie sind die Grundnahrungsmittel der Informatik.

Wir wissen nicht, was der Wachmann für jede Person entscheiden wird, aber wir wissen, dass er auf seine Weise eingestellt ist. Er lässt entweder alle rein oder er lässt genau die Hälfte der Leute rein. Ihre Aufgabe ist es nicht, herauszufinden, was mit jeder Person passiert, sondern ob der Wachmann gut gelaunt ist und alle rein lässt oder nur die Hälfte von ihnen. Wie viele Werte der Booleschen Funktion des Wächters müssen wir nachschlagen, um herauszufinden, in welcher Stimmung sich der Wächter befindet?

Schau weiter

Ein klassischer Computer müsste mindestens fünf Mal auf die Armbänder schauen, um sich ein Bild von der endgültigen Entscheidung zu machen. Selbst wenn Sie sich die ersten vier Armbänder angesehen haben und sie eine 1 hatten, können Sie nicht sicher sein, ob dies nur die Hälfte oder alle wartenden Personen darstellt. Sie benötigen daher einen fünften Armbandwert. Mit einem Quantencomputer können Sie die Werte für alle acht gleichzeitig nachschlagen und benötigen nur eine Suchfunktion.

"Für die Kosten für das einmalige Ausführen des Programms mit dieser lustigen Überlagerungseingabe haben Sie irgendwie alle [Werte auf einmal] berechnet", erklärt Jozsa.

Der Vorteil von Quantencomputern gegenüber klassischen wird noch deutlicher, wenn in unserem obigen Beispiel immer mehr Menschen anwesend sind. Mit einer Linie von 2n Einzelpersonen und ein klassischer Computer würden 2 benötigenn-1+1 mal. Dies würde exponentiell wachsen, wie Sie sich vorstellen können. Ein Quantencomputer muss dies nur einmal tun.

Wie bereits erwähnt, gibt es ein Problem, das wir mit Quantencomputern und unserem obigen Szenario lösen müssen. Ihre acht gleichzeitig nachgeschlagenen Werte werden in einem Quantenzustand codiert, den wir nicht direkt lesen können. Jede Messung der Werte würde sie stören. Zum Glück versuchen wir jedoch nicht herauszufinden, was mit jedem Einzelnen passieren wird. Wir müssen nur herausfinden, ob der Wachmann gut oder schlecht gelaunt ist.

"Das ist nur eine Ja-Nein-Frage", erklärt Jozsa. "Es ist eine kleine Menge an Informationen über viele Werte."

[Bildquelle: Pixabay]

Kartenhaus

Jozsa und Deutsch zeigen uns, dass es eine Möglichkeit gibt, eine zusätzliche Operation an unseren Quantenzustandsdaten durchzuführen. Ein Schritt, der die einfache Information, nach der wir suchen, genau an die richtigen Stellen neckt, an denen wir sie lesen können. Es ist ein bisschen wie ein Kartenhaus, das zusammenbricht, sobald Sie es betrachten. Wir können es nie in seiner vollen Pracht sehen, aber wenn es genau richtig gebaut wäre, könnten wir es aus dem zusammengebrochenen Haufen wieder aufbauen.

Selbst einfache Muster oder Strukturen in Systemen mit mehreren Komponenten eines klassischen Computers haben oft keine andere Wahl, als alle, viele Komponenten einzeln zu bewerten. Ein Quantencomputer kann nicht alle gleichzeitig auswerten. Obwohl Sie nicht alle Werte einzeln lesen können, können Sie genügend Informationen extrahieren, um ein größeres Bild zu erhalten.

Jozsa und Deutsch entwickelten diesen Algorithmus 1992. Es war der erste, von dem nachgewiesen werden konnte, dass er viel schneller funktioniert als jeder frühere Algorithmus, der für dieselbe Aufgabe entwickelt wurde. Interessanter ist, dass diese beiden Herren keine Quanteningenieure sind, die in einem Labor arbeiten, sondern Theoretiker. Ihre Arbeit kombinierte mathematischen Formalismus für Quantenmechanik und theoretisches Rechnen, um herauszufinden, was sie beide erreichen können. Dies ist derzeit rein theoretisch, da wir noch keine vollwertige Maschine gebaut haben.

Werden Quantencomputer klassische Computer ersetzen?

Bei all dem Hype und dem mentalen Ellbogenfett, die auf diese Technologie angewendet werden, kann es am Ende alles fruchtlos sein. Wir können möglicherweise nicht sagen, ob die Berechnungsergebnisse des Quantencomputers überhaupt die richtige Antwort liefern. Eh? Wie?

Quantencomputer könnten Berechnungen in Tagen oder Stunden durchführen, die ein normaler Computer Tausende von Jahren in Anspruch nehmen würde. Einige Antworten, die es erzeugt, sind überprüfbar, wie zum Beispiel, dass ein komplizierter kryptografischer Schlüssel damit überprüft werden könnte (z. B. Verschlüsseln und Entschlüsseln einer Nachricht). Aber andere müssen möglicherweise "im Glauben" genommen werden. Im Wesentlichen werden Quantencomputer wahrscheinlich für komplexe Probleme verwendet, für die wir einfach keine Bestätigungsmethode haben. Wie würden wir die Berechnungen und Ergebnisse überprüfen?

[Bildquelle: Pixabay]

Ergebnisse überprüfen

Wissenschaftler der Universität Wien haben jedoch den Rücken von Quantencomputern. Sie haben eine Technik namens "Blind Quantum Computing" entwickelt, die möglicherweise helfen kann. Es ist ziemlich einfach und beinhaltet mathematische Fallen, die Zwischenschritte in der Berechnung sind, die vor dem Ausführen der Berechnung vorhergesagt werden können. Wenn diese vorhergesagten Fallen zu diesem Zeitpunkt nicht mit dem tatsächlichen Ergebnis übereinstimmen, stimmt etwas mit dem gesamten Prozess nicht. Anstatt den gesamten Prozess zu überprüfen, "probieren" wir ihn einfach an bestimmten Stellen aus. Ein bisschen wie Qualitätskontrolle in einer Produktionslinie.

Dieses Team hat gezeigt, dass die Technik mit vier Qubit-Systemen zumindest im kleinen Maßstab funktionieren kann. Mit diesen kleineren Einheiten können größere Sekundär- oder Hauptcomputer überprüft werden. Das Team behauptet auch, dass diese skalierbar sind und auf Computern mit Hunderten von Qubits verwendet werden können. Es gibt jedoch einen Haken: -

"Wie fast alle aktuellen Quantencomputer-Experimente hat dies derzeit den Status eines unterhaltsamen Demonstrations-Proof-of-Concept und nicht alles, was bisher direkt nützlich ist", erklärte Scott Aaronson vom Massachusetts Institute of Technology.

Ist es an?

Das Problem besteht nicht nur darin, die Ergebnisse zu überprüfen, sondern auch herauszufinden, ob die Maschine überhaupt funktioniert. Derzeit verfügbare "Quantencomputer" wurden nicht als funktionsfähig verifiziert. Sie basieren praktisch auf der Theorie, hoffen, dass sie funktioniert, und beurteilen die Ergebnisse.

Dies wirft offensichtlich eine ganze "Lastwagenladung" von Problemen auf. In erster Linie kann das Erreichen der Ausgabe unübersichtlich sein. Das Codieren der Maschine ist ebenfalls sehr schwierig. Quantencomputer liefern naturgemäß Antworten, die eher probabilistisch als eindeutig oder absolut sind. Dies könnte bedeuten, dass für viele Lösungen die Antwort möglicherweise nicht richtig ist und wir sie mehrmals wiederholen müssten. Spülen und wiederholen, bis die "richtige" Antwort klar ist. Klingt ein bisschen nach Weissagung von früher.

Dies bedeutet dann, dass es je nach Problem möglicherweise keinen großen Vorteil gibt, einen Quantencomputer gegenüber einem herkömmlichen zu verwenden. Die Nutzung der Kraft der Quantenmechanik würde sicherlich die Geschwindigkeit verbessern, mit der wir Lösungen sammeln. Bisher konnten Forscher dies nur für eine sehr kleine Anzahl von Problemen tun. Zum Beispiel Primfaktoren mit sehr großen Zahlen finden. Ziemlich cool, wenn Sie so etwas mögen, und sehr nützlich für die Kryptographie, aber das ist ein wenig begrenzt.

Fazit

Wenn wir jemals vollwertige Quantencomputer bauen könnten, wären sie von unschätzbarem Wert, wenn es darum geht, große Zahlen zu berücksichtigen, und beispielsweise zum Dekodieren und Kodieren von Nachrichten. Wenn wir heute eine erstellen könnten, wären die Informationen über die Sicherheit des Internets ernsthaft gefährdet. Unsere derzeitigen Verschlüsselungsmethoden wären im Vergleich zu den Entschlüsselungsfähigkeiten des Quantencomputers nicht zweckmäßig.

Das Suchen und Abfragen von Datenbanken würde in einem Bruchteil der Zeit durchgeführt, die herkömmliche Computer benötigen, um dieselben Aufgaben auszuführen. Quantencomputer könnten natürlich auch verwendet werden, um unser Verständnis der Quantenmechanik zu verbessern und zukünftige verbesserte Quantencomputer zu entwerfen.

Dieses Gebiet steckt noch in den Kinderschuhen und viele Wissenschaftler glauben, dass ein funktionierendes noch Jahre entfernt ist. Nützliche Maschinen müssen mindestens mehrere Dutzend Qubits umfassen, um reale Probleme lösen zu können und daher lebensfähig zu sein.

Wenn wir herausfinden können, woraus wir tatsächlich Qubits machen können, wie wir die Maschine vor Störungen durch die Außenwelt schützen, die Funktionsfähigkeit der Maschine überprüfen und die Ausgänge verstehen können, werden uns diese Computer in Zukunft sicherlich einige interessante Fähigkeiten bieten . Wenn das nicht genug wäre, werden wir wahrscheinlich Prüfer oder "Pausen" benötigen, um zu überprüfen, ob die Berechnungen ordnungsgemäß ausgeführt werden, und um unser Vertrauen in die endgültige Ausgabe zu verbessern. Also kein Druck.

In erster Linie werden wir wahrscheinlich Quantencomputer sehen, die herkömmliche Maschinen für Aufgaben wie Verschlüsselung und codierte Nachrichten ersetzen. Sie werden wahrscheinlich Plätze in anderen Sicherheitsformen haben, wie zum Beispiel in Schlüsselformen, vielleicht für Autos und unsere Häuser. Ein vollständiger Austausch herkömmlicher Computer ist wahrscheinlich unwahrscheinlich. Was auch immer die Zukunft für Quantencomputer bereithält, wird wahrscheinlich einen nicht unerheblichen Teil ausmachen.

Quellen:HowStuffWorks, Plus Magazine, Gizmodo

SIEHE AUCH: Zwei Quantencomputer treten zum ersten Mal in der Geschichte gegeneinander an!

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