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Quantum Computing hält das Versprechen, einige der größten Herausforderungen unseres Planeten zu lösen - in den Bereichen Umwelt, Landwirtschaft, Gesundheit, Energie, Klima, Materialwissenschaft und mehr. Bei einigen dieser Probleme stößt das klassische Computing zunehmend an seine Grenzen, wenn die Größe des Systems zunimmt. Wenn sie skaliert werden sollen, verfügen Quantensysteme wahrscheinlich über Funktionen, die die heutigen leistungsstärksten Supercomputer überschreiten.
In diesem Artikel werden die Prinzipien des Quantencomputings erläutert, wie es mit klassischem Computing verglichen wird und wie es die Prinzipien der Quantenmechanik verwendet.
Geschichte des Quantencomputings
Quantensysteme, wie Atome und Moleküle, können schwierig oder unmöglich sein, auf einem klassischen Computer zu simulieren. In den 1980er Jahren schlugen Richard Feynman und Yuri Manin vor, dass Hardware basierend auf Quantenphänomenen für die Simulation von Quantensystemen effizienter sein könnte als herkömmliche Computer.
Es gibt mehrere Gründe, warum Quantensysteme auf normalen Computern schwer zu simulieren sind. Ein Hauptgrund dafür ist, dass die Materie auf Quantenebene gleichzeitig als Eine Kombination aus mehreren Konfigurationen (als Zustände bezeichnet) beschrieben wird.
Quantenzustände wachsen exponentiell
Betrachten Sie ein System von Partikeln und 40 mögliche Orte, an denen diese Partikel vorhanden sein können. Das System könnte sich in einem von $2^{40}$ -eindeutigen Zuständen befinden, da jede Position entweder ein Partikel aufweisen kann oder nicht. Wenn es sich um klassische Partikel handelt, ist das System immer nur in einem der $2^{40}$ -Zustände enthalten, sodass ein klassischer Computer nur 40 Bit benötigt, um den Zustand des Systems zu beschreiben. Aber wenn es sich um Quantenpartikel handelt, existiert das System in einer Kombination aller $2^{40}$ -Zustände. Ein klassischer Computer muss 2^$-Zahlen speichern{40}$, um das Quantensystem zu beschreiben, das über 130 GB Arbeitsspeicher erfordert. Ein Quantencomputer benötigt jedoch nur 40 Quantenbits, um dieses Quantensystem zu beschreiben.
Wenn wir dem System eine weitere Position hinzufügen, damit die Elektronen an 41 Standorten vorhanden sein können, verdoppelt sich die Anzahl der eindeutigen Konfigurationen des Systems auf $2^{41}$. Es würde mehr als 260 GB Arbeitsspeicher dauern, um diesen Quantenzustand auf einem klassischen Computer zu speichern. Wir können dieses Spiel nicht spielen, um die Anzahl der Standorte für immer zu erhöhen. Um einen Quantenzustand auf einem herkömmlichen Computer zu speichern, überschreiten Sie schnell die Speicherkapazitäten der leistungsstärksten Maschinen der Welt. Bei ein paar hundert Elektronen überschreitet der Speicher, der zum Speichern des Systems erforderlich ist, die Anzahl der Partikel im Universum. Es gibt keine Hoffnung mit unseren herkömmlichen Computern, quantendynamik für größere Systeme vollständig zu simulieren!
Verwandeln von Schwierigkeiten in Chancen
Die Beobachtung dieses exponentiellen Wachstums stellt eine starke Frage dar: Ist es möglich, diese Schwierigkeit in eine Chance umzuwandeln? Wenn Quantensysteme auf normalen Computern schwer zu simulieren sind, was passiert, wenn wir eine Maschine erstellen, die Quanteneffekte für ihre grundlegenden Vorgänge verwendet? Könnten wir Quantensysteme mit einer Maschine simulieren, die genau die gleichen Gesetze der Physik ausnutzt? Und könnten wir diese Maschine verwenden, um andere wichtige Probleme außerhalb der Quantenmechanik zu untersuchen? Dies sind die Arten von Fragen, die zu den Bereichen Quanteninformation und Quantencomputing führte.
1985 zeigte David Deutsch, dass ein Quantencomputer das Verhalten eines beliebigen physischen Systems effizient simulieren konnte. Diese Entdeckung war der erste Hinweis darauf, dass Quantencomputer verwendet werden konnten, um Probleme zu lösen, die auf klassischen Computern zu schwer zu lösen sind.
1994 entdeckte Peter Shor einen Quantenalgorithmus, um die Hauptfaktoren großer ganzzahliger Zahlen zu finden. Der Algorithmus von Shor läuft exponentiell schneller als der bekannteste klassische Algorithmus für dieses Faktorproblem. Ein solcher schneller Algorithmus könnte möglicherweise viele unserer modernen Kryptosysteme für öffentliche Schlüssel unterbrechen, die wir zum Sichern von Transaktionen im E-Commerce verwenden, z. B. Rivest-Shamir-Adleman (RSA) und Elliptische Kurvenkryptografie. Diese Entdeckung hat ein großes Interesse an Quantencomputing ausgelöst und führte zur Entwicklung von Quantenalgorithmen für viele andere Probleme.
Seitdem wurden schnelle und effiziente Quantencomputeralgorithmen für andere Probleme entwickelt, die auf klassischen Computern schwer zu lösen sind. So haben wir beispielsweise Quantenalgorithmen, um eine ungeordnete Datenbank zu durchsuchen, Systeme linearer Formeln zu lösen, maschinelles Lernen durchzuführen und physikalische Systeme in Chemie, Physik und Materialwissenschaft zu simulieren.
Was ist ein Qubit?
Ebenso wie Bits das grundlegende Objekt von Informationen in der klassischen Berechnung sind, sind Qubits (Quantenbits) das grundlegende Objekt von Informationen in der Quantenberechnung.
Qubits spielen eine ähnliche Rolle bei der Quantenberechnung, da Bits in der klassischen Berechnung spielen, aber Qubits verhalten sich anders als Bits. Klassische Bits sind binär und können sich zu einem bestimmten Zeitpunkt nur in einem von zwei Zuständen befinden, 0 oder 1. Qubits können jedoch gleichzeitig in einer Superposition der 0- und 1-Zustände sein. Tatsächlich gibt es unendliche Superpositionen von 0 und 1, und jeder von ihnen ist ein gültiger Qubit-Zustand.
Bei der Quantenberechnung werden Informationen in Superpositionen der Zustände 0 und 1 codiert. Beispielsweise können 8 reguläre Bits bis zu 256 eindeutige Werte codieren, aber diese 8 Bits können jeweils nur einen der 256 Werte darstellen. Mit 8 Qubits konnten wir alle 256 Werte gleichzeitig codieren, da sich die Qubits in einer Superposition aller 256 möglichen Zustände befinden können.
Weitere Informationen finden Sie unter "The qubit in quantum computing".
Was sind die Anforderungen zum Erstellen eines Quantencomputers?
Ein Quantencomputer verwendet Quantensysteme und die Eigenschaften der Quantenmechanik, um Rechenprobleme zu lösen. Die Systeme in einem Quantencomputer bestehen aus den Qubits, den Interaktionen zwischen Qubits und Vorgängen auf den Qubits zum Speichern und Berechnen von Informationen. Wir können Quantencomputer verwenden, um Effekte wie Quantenanglement und Quantenstörungen zu programmieren, um bestimmte Probleme schneller zu lösen als auf klassischen Computern.
Um einen Quantencomputer zu erstellen, müssen wir überlegen, wie die Qubits erstellt und gespeichert werden. Darüber hinaus müssen wir darüber nachdenken, wie die Qubits manipuliert werden und wie die Ergebnisse unserer Berechnungen gemessen werden.
Beliebte Qubit-Technologien umfassen trapped-ion qubits, superkonduktierende Qubits und topologische Qubits. Bei einigen Methoden der Qubit-Lagerung muss die Einheit, die die Qubits beherbergt, bei einer Temperatur in der Nähe von absoluter Null gehalten werden, um ihre Kohärenz zu maximieren und Störungen zu reduzieren. Bei anderen Arten von Einheiten für Qubits wird eine Vakuumkammer verwendet, um Schwingungen zu minimieren und die Qubits zu stabilisieren. Signale können über verschiedene Methoden wie Mikrowellen, Laser oder Spannungen an die Qubits gesendet werden.
Die fünf Kriterien für einen Quantencomputer
Ein guter Quantencomputer sollte diese fünf Features aufweisen:
- Skalierbar: Er kann viele Qubits haben.
- Initialisierbar: Er kann die Qubits auf einen bestimmten Zustand festlegen (in der Regel der 0-Zustand).
- Resilient: Er kann die Qubits lange im Zustand der Überlagerung halten.
- Universell: Ein Quantencomputer muss nicht jeden möglichen Vorgang ausführen, nur eine Gruppe von Vorgängen, die als universeller Satz bezeichnet wird. Eine Reihe universeller Quantenvorgänge ist so, dass jeder andere Vorgang in eine Sequenz von ihnen zersetzt werden kann.
- Zuverlässig: Er kann die Qubits genau messen.
Diese fünf Kriterien werden häufig als Di Vincenzo-Kriterien für die Quantenberechnung bezeichnet.
Die Entwicklung von Geräten, die diese fünf Kriterien erfüllen, ist eine der anspruchsvollsten technischen Herausforderungen, mit der sich die Menschheit je konfrontiert gesehen hat. Azure Quantum bietet eine Vielzahl von Quantencomputing-Lösungen mit unterschiedlichen Qubit-Technologien. Weitere Informationen finden Sie in der vollständigen Liste der Azure Quantum-Anbieter.
Verstehen von Quantenphänomenen
Quantenphänomene sind die Grundprinzipien, die Quantencomputing von klassischem Computing unterscheiden. Das Verständnis dieser Phänomene ist entscheidend, um zu verstehen, wie Quantencomputer funktionieren und warum sie ein solches Potenzial haben. Die beiden wichtigsten Quantenphänomene sind Superposition und Verschränkung.
Überlagerung
Stellen Sie sich vor, Sie machen Gymnastikübungen in Ihrem Wohnzimmer. Dabei drehen Sie sich erst ganz nach links und anschließend ganz nach rechts. Wenn Sie allerdings versuchen, sich gleichzeitig nach links und nach rechts zu drehen, werden Sie feststellen, dass das nicht geht (zumindest nicht, ohne sich aufzuspalten). Natürlich können Sie sich nicht gleichzeitig in beiden Zuständen befinden und sich zugleich nach links und nach rechts drehen.
Als Quantenteilchen wären Sie dagegen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nach links UND mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nach rechts gedreht. Möglich wird dies durch ein Phänomen namens Superposition (auch Kohärenz genannt).
Nur Quantensysteme wie Ionen, Elektronen oder superkonduktierende Schaltkreise können in den Superpositionszuständen existieren, die die Leistungsfähigkeit der Quantencomputing ermöglichen. Elektronen sind zum Beispiel Quantenpartikel, die ihre eigene &„nach links oder nach rechts gerichtet“-Eigenschaft haben, die als Spin bezeichnet wird. Die beiden Drehzustände werden spin up und spin down genannt, und der Quantenzustand eines Elektronens ist eine Superposition des Spin up- und Spindownzustands.
Wenn Sie mehr erfahren und mit Superposition üben möchten, lesen Sie das Schulungsmodul: Erkunden der Superposition mit Q#.
Verschränkung
Veranglement ist eine Quantenkorrelation zwischen zwei oder mehr Quantensystemen. Wenn zwei Qubits miteinander verbunden sind, werden sie korreliert und teilen die Informationen ihrer Zustände so, dass der Quantenzustand einzelner Qubits nicht unabhängig voneinander beschrieben werden kann. Mit quanteninterner Verschränkung können Sie nur den Quantenzustand des globalen Systems kennen, nicht die einzelnen Zustände.
Verangte Quantensysteme behalten diese Korrelation auch dann bei, wenn sie über große Entfernungen getrennt sind. Das bedeutet, dass jeder Vorgang oder Prozess für ein einzelnes Subsystem auch mit dem anderen Subsystem zusammenhängt. So liefert die Messung des Zustands eines Qubits Informationen über den Zustand des anderen Qubits – diese besondere Eigenschaft ist sehr hilfreich bei der Quantenberechnung.
Wenn Sie mehr erfahren möchten, lesen Sie Tutorial: Erkunden Sie die Quantenanglement mit Q# und, um ein praktisches Implementierungsmodul zu erhalten : Teleport a qubit mit Veranglement.