22 interessanteste Fakten über Quantencomputer | Ausgabe 2021

Quantum-Computer sollten nicht Ihre E-Mails überprüfen, den Status aktualisieren oder normale Software-/Hardware-Aufgaben ausführen. Stattdessen basieren sie auf etwas Komplizierterem – der Quantenmechanik.

Quantencomputer arbeiten mit Teilchen, die viel kleiner als die Größe von Atomen sind. Physikalische Regeln machen in so kleinen Maßstäben keinen Sinn. Hier beginnen spannende Dinge zu passieren. Teilchen könnten sich hin und her bewegen oder sogar gleichzeitig existieren. Diese Art von Computern kann die Rechenleistung über das hinaus steigern, was mit heutigen herkömmlichen Computern erreichbar ist.

Lassen Sie uns näher darauf eingehen, was wir derzeit über Quantencomputing wissen. Wir haben einige der interessanten Fakten über Quantencomputer zusammengestellt, die Sie begeistern werden.

1. Muster der Informationsspeicherung

Die Computer, die wir heute verwenden, speichern Daten in einem binären Format – einer Reihe von Nullen und 1′. Jede Speicherkomponente wird als Bit bezeichnet und kann über Schritte der Booleschen Logik manipuliert werden.

Auf der anderen Seite würde ein Quantencomputer Daten entweder als „0“, „1“ oder als Quantenüberlagerung der beiden Zustände speichern. Ein solches Quantenbit (auch bekannt als Qubits) hat im Vergleich zu einem binären System eine weitaus größere Flexibilität.

Qubits könnten durch die Verwendung von Teilchen mit zwei Spinzuständen – „up“ und „down“ – realisiert werden. Ein solches System könnte auf ein effektives Spin-1/2-System abgebildet werden.

2. Atemberaubende Geschwindigkeit

Da Daten in Quantencomputern in mehr als nur den Zuständen 0 und 1 vorliegen können, können sie parallel Berechnungen durchführen. Betrachten wir ein einfaches Beispiel; Wenn sich das Qubit in einer Überlagerung von Zustand 0 und Zustand 1 befindet und es eine Berechnung mit einem anderen Qubit in einer ähnlichen Überlagerung durchführt, würde es vier Ergebnisse hinterlassen – 0/1, 0/0, 1/0 und 1/1.

Der Quantencomputer zeigt das obige Ergebnis, wenn er sich in einem Zustand der Dekohärenz befindet, der anhält (während er sich in einer Überlagerung von Zuständen befindet), bis er auf einen Zustand zusammenbricht. Die Fähigkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen, wird als Quantenparallelismus bezeichnet.

3. Sicherheit neu definiert

Die Geschwindigkeit von Quantencomputern ist auch im Bereich der Verschlüsselung und Kryptographie ein ernstes Problem. Die heutigen Finanzsicherheitssysteme basieren auf der Faktorisierung großer Zahlen (RSA- oder DSA-Algorithmen), die von herkömmlichen Computern während der Lebensdauer der Erde buchstäblich nicht geknackt werden können. Ein Quantencomputer könnte die Zahlen jedoch in einem vernünftigen Zeitraum faktorisieren.

Auf der anderen Seite werden Quantencomputer in der Lage sein, unzerbrechliche Sicherheitsfunktionen bereitzustellen. Sie können wichtige Daten (z Faktorisieren großer Zahlen).

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4. Energieeffizient

Der Stromverbrauch ist der kritische Faktor bei jedem Gerät, das mit Strom betrieben wird. Eine große Anzahl von Prozessoren benötigt eine beträchtliche Menge an Stromversorgung, um ihre Leistung aufrechtzuerhalten. Der schnellste Supercomputer der Welt (Summit) zum Beispiel verbraucht 13 MW Strom.

Richtig interessant wird es jedoch mit Quantencomputern. Da sie Quantentunneln verwenden, reduzieren sie den Stromverbrauch um den Faktor 100 bis 1000.

5. Die alternativen Realitäten

Gemäß der Quantenphysik haben wir es mit einem sogenannten Multiversum zu tun, bei dem ein Problem viele oder unendlich wahrscheinliche Lösungen haben kann. Zum Beispiel könnten Sie diesen Artikel auf Ihrem Laptop lesen. In einem anderen Universum lesen Sie dies möglicherweise auf Reisen auf Mobilgeräten.

Ein Quantencomputer kann „n“ Aufgaben in „n“ Paralleluniversen ausführen und zum Ergebnis gelangen. Wenn ein herkömmlicher Computer „n“ Berechnungen in „n“ Sekunden durchführt, kann ein Quantencomputer „n ^2′ . ausführen Berechnungen in der gleichen Zeit.

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Sie erinnern sich vielleicht, dass IBMs Deep Blue 1997 der erste Computer war, der einen Schachweltmeister, Garry Kasparov, besiegte. Der Computer tat dies, indem er 200 Millionen mögliche Züge pro Sekunde untersuchte. Weit entfernt von der Fähigkeit des menschlichen Gehirns! Aber wenn es eine Quantenmaschine wäre, hätte sie 1 Billion Bewegungen pro Sekunde, 4 Billionen Bewegungen in 2 Sekunden und 9 Billionen Bewegungen in 3 Sekunden berechnet.

6. Warum es schwierig ist, Quantencomputer zu bauen

Das Problem bei Quantencomputern ist die Stabilität. Es stellte sich heraus, dass die Interferenz (jede Art von Schwingung stört die Schwingung von Atomen) eine Kauderwelsch-Ausgabe erzeugt. Elektronen verhalten sich in der Quantenmechanik wie Wellen und werden durch eine Wellenfunktion beschrieben. Diese Wellen können interferieren und das seltsame Verhalten von Quantenteilchen verursachen, das als Dekohärenz bezeichnet wird.

7. Kühle Temperatur

Die Temperatur, die benötigt wird, um einen stabilen Zustand für eine bessere Leistung aufrechtzuerhalten, sollte wirklich niedrig sein. Damit Quantencomputer funktionieren, müssen Atome stabil gehalten werden. Und der bekannte effizienteste Weg, diese Atome stabil zu halten, besteht darin, die Temperatur auf null Kelvin zu senken, wo Atome stabil werden, ohne Wärme freizusetzen.

Das D-Wave 2000Q-System ist derzeit der fortschrittlichste Quantencomputer. Sein supraleitender Prozessor wird auf 0,015 Kelvin gekühlt (180-mal kälter als der interstellare Raum).

8. Fähigkeiten zur Problemlösung

Quantencomputer können klassische Algorithmen ausführen; Für effiziente Ergebnisse verwenden sie jedoch Algorithmen, die von Natur aus quantenhaft erscheinen, oder verwenden einige Funktionen der Quantenberechnung wie Quantenverschränkung oder Quantensuperposition.

Unentscheidbare Klassenprobleme bleiben im Quantencomputing unentscheidbar. Das Faszinierende an Quantenalgorithmen ist, dass sie Probleme schneller lösen können als klassische Algorithmen. Sie können beispielsweise das Problem des Handlungsreisenden in Sekundenschnelle lösen, was bei herkömmlichen Computern 30 Minuten dauert.

Darüber hinaus kann ein Quantencomputer helfen, entfernte Planeten zu entdecken, das Wetter präzise vorherzusagen, Krebs früher zu erkennen und wirksamere Medikamente zu entwickeln, indem er DNA-Sequenzierungsdaten analysiert.

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9. KI-Spielwechsler

Die künstliche Intelligenz befindet sich in der Anfangsphase. Der moderne Roboter von heute kann einen Raum betreten, Materialien erkennen, Körper formen und sich bewegen, ihm fehlen jedoch die Faktoren, die ihn wirklich intelligent machen. Quantencomputer sind im Bereich der Informationsverarbeitung viel besser – mit 300 Bit könnten wir das gesamte Universum abbilden.

Quantenmaschinen könnten die Geschwindigkeit der maschinellen Lernvorgänge exponentiell beschleunigen und die Zeit von Hunderttausenden von Jahren auf nur noch Sekunden reduzieren.

Um den Abstand zwischen zwei großen Vektoren mit einer Größe von 1 Zettabyte zu messen, benötigt ein herkömmlicher Computer mit einer GHz-Taktrate Hunderttausende von Jahren. Während ein Quantencomputer mit GHz-Taktrate (sofern jemals in der Zukunft gebaut) nur eine Sekunde brauchen wird, nachdem die Vektoren mit dem Hilfs-Qubit verschränkt sind.

10. Nicht alles kann schnell gemacht werden

Obwohl Quantencomputer den optimalsten Weg zur Lösung eines Problems finden, beruhen sie auf einigen der grundlegenden mathematischen Prinzipien, die Ihr PC täglich verwendet. Dies bezieht sich auf grundlegende Arithmetik, die bereits gut optimiert ist.

Es gibt keinen besseren Weg, eine Reihe von Zahlen zu addieren, als sie einfach zu addieren. In solchen Fällen sind klassische Computer genauso effektiv wie Quantencomputer.

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11. Neueste Errungenschaften im Bereich Quantencomputer

Wissenschaftler der University of New South Wales entwickelten 2015 ein erstes Quantenlogikgatter mit Silizium. Im selben Jahr enthüllte die NASA den ersten funktionsfähigen Quantencomputer von D-Wave im Wert von 15 Millionen $.

Im Jahr 2016 haben Forscher der University of Maryland erfolgreich den ersten umprogrammierbaren Quantencomputer entwickelt. Zwei Monate später spezifizierte die Universität Basel eine Variante der Elektron-Loch-basierten Quantenmaschine, die bei niedrigen Temperaturen Elektronenlöcher in einem Halbleiter verwendet (anstatt Elektronenspins zu manipulieren), die weniger anfällig für Dekohärenz sind.

Im Jahr 2019 veröffentlichte Google AI in Zusammenarbeit mit der NASA ein Papier, in dem behauptet wird, dass sie die Quantenvorherrschaft erreicht haben – ein Durchbruch in der Geschichte des Quantencomputings.

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12. Systeme können zur Simulation von Quantenmaschinen verwendet werden

Eine der wichtigsten Anwendungen des Quantencomputings sind Quantensimulatoren. Sie ermöglichen die Analyse von Quantensystemen, die mit Supercomputern nicht modelliert und im Labor schwer untersucht werden können.

Quantensimulatoren wurden speziell entwickelt, um Einblicke in bestimmte physikalische Probleme zu geben. Sie können mit konventionell programmierbaren „digitalen“ Quantencomputern konstruiert werden, die eine breite Palette von Quantenproblemen lösen könnten.

Bisher wurden Quantensimulatoren auf vielen verschiedenen experimentellen Plattformen realisiert, darunter Systeme aus gefangenen Ionen, polaren Molekülen, ultrakalten Quantengasen, Quantenpunkten und supraleitenden Schaltkreisen.

13. Programmiersprache für Quantencomputer

Im Jahr 2020 entwickelten Forscher Sliq:eine leicht verständliche High-Level-Programmiersprache für Quantencomputer.

Bei Quantenberechnungen müssen sich Entwickler normalerweise mit mehreren frustrierenden Dingen auseinandersetzen, z. B. einem geringen Abstraktionsgrad, der zu überladenem Code führt, temporären Werten, die verworfen werden müssen, und vielem mehr.

Obwohl einige Quantensprachen versuchen, dies zu umgehen, funktionieren sie relativ kompliziert. Sliq hingegen unterstützt sicheres, automatisches Uncomputation, was eine intuitive Semantik ermöglicht.

Weitere faszinierende Fakten und Entdeckungen

14. Quantencomputing wurde erstmals 1959 von Richard Feynman in seinem berühmten Vortrag „There is plenty of room at the bottom“ erwähnt. Er betrachtete die Möglichkeit, einzelne Atome zu manipulieren, als eine verbesserte Form der Synthesechemie.

15. Das weltweit erste Quantenschlüssel-Verteilungsprotokoll, BB84, wurde 1984 von den IBM-Forschern Gillies Brassard und Charles Bennett entwickelt. Es ist eine Technik zum sicheren Senden eines privaten Schlüssels von einem Punkt zu einem anderen zur Verwendung bei der einmaligen Pad-Verschlüsselung.

16. Im Februar 2018 entwickelten Physiker eine neue Form des Lichts, die Drei-Photonen-gebundene Zustände in einem nichtlinearen Quantenmedium beinhaltet, die die Revolution des Quantencomputers vorantreiben könnte.

17. Im März 2018 veröffentlichte das Quantum Artificial Intelligence Lab – betrieben von der Universities Space Research Association, der NASA und Google – einen 72-Qubit-Prozessor namens Bristlecone.

18. Ein realistisches Modell der Quantenberechnung läuft auf Quantenalgorithmen, die nach der Art des Problems, das sie lösen, oder den Techniken/Ideen, die sie verwenden, kategorisiert werden können. Derzeit haben wir Algorithmen, die auf Amplitudenverstärkung, Quanten-Fourier-Transformation und hybriden Quantenalgorithmen basieren.

19. Mehrere unterschiedliche Kandidaten werden verfolgt, um eine Quantenmaschine physikalisch zu implementieren. Unter ihnen sind die beliebtesten –

• Supraleitender und gefangener Ionen-Quantencomputer
• Spinbasierter und räumlicher Quantenpunkt
• Diamantbasierter Quantencomputer
• Hohlraum-Quantenelektrodynamik
• Molekularer Magnet

20. Daten, die in einem Quantenzustand kodiert sind, können nicht kopiert werden. Wenn Sie versuchen, diese Daten zu lesen, wird ihr Quantenzustand geändert. Die Funktion könnte verwendet werden, um das Abhören der Quantenschlüsselverteilung zu identifizieren.

21. Bisher haben fünf Unternehmen Quantenchips hergestellt – Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience und Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) und D-Wave (Ranier).

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22. Im Jahr 2020 stellte ein Forscherteam der University of California, Los Angeles, einen neuen Rekord für die fehlerfreie Aufbereitung und Messung von Quantenbits in einem Quantencomputer auf. Genauer gesagt erreichten sie eine Präparations- und Messfehlerrate von 0,03 %. Es wird sich auf fast alle Bereiche der Quanteninformationswissenschaft auswirken.