Was ist Quantencomputing?
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
Die Idee eines Quantencomputers wurde aus der Schwierigkeit heraus geboren, Quantensysteme auf einem klassischen Computer zu simulieren. In den 1980er Jahren schlugen Richard Feynman und Yuri Manin unabhängig voneinander vor, dass Hardware basierend auf Quantenphänomenen für die Simulation von Quantensystemen effizienter sein könnte als herkömmliche Computer.
Es gibt viele Wege, um zu verdeutlichen, warum die Simulation der Quantenmechanik so schwierig ist. Am einfachsten ist es, sich vor Augen zu führen, dass die Materie auf Quantenebene in einer Vielzahl möglicher Konfigurationen (so genannten Zuständen) vorliegt.
Quantenzustände wachsen exponentiell
Betrachten Sie ein Elektronensystem, in dem es 40$ mögliche Orte gibt$, an denen jede Position entweder einen Elektronen haben kann oder nicht. Das System kann sich daher in einer von $2^{40}$ -Konfigurationen befinden (da jeder Standort zwei mögliche Konfigurationen hat, entweder mit einem Elektronen oder leer). Um den Quantenzustand der Elektronen in einem herkömmlichen Computerspeicher zu speichern, wäre mehr als $130$ GB Arbeitsspeicher erforderlich! Wenn Sie die Anzahl möglicher Standorte auf $41$ erhöhen, wären bei 2^{41}$ doppelt so viele Konfigurationen $vorhanden, was wiederum mehr als $260$ GB Arbeitsspeicher benötigt, um den Quantenzustand zu speichern.
Dieses Spiel zur Erhöhung der Anzahl von Speicherorten kann nicht unbegrenzt weiter gespielt werden. Bei ein paar hundert Elektronen überschreitet der Speicher, der zum Speichern des Systems erforderlich ist, die Anzahl der Partikel im Universum; so gibt es keine Hoffnung mit herkömmlichen Computern, die Quantendynamik jemals zu simulieren.
Verwandeln von Schwierigkeiten in Chancen
Die Beobachtung dieses exponentiellen Wachstums führte wissenschaftler dazu, eine starke Frage zu stellen: Könnten wir Quantensysteme mit einer Maschine simulieren, die genau die gleichen Gesetze der Physik ausnutzt? Und könnten wir diese Maschinen verwenden, um andere Aufgaben zu untersuchen, die für uns von entscheidender Bedeutung sind? Diese Fragen führten zur Entstehung von Quantum Computing.
1985 zeigte David Deutsch, dass ein Quantencomputer das Verhalten eines beliebigen physischen Systems effizient simulieren konnte. Die Entdeckung war der erste Hinweis darauf, dass Quantencomputer verwendet werden könnten, um Probleme zu lösen, die auf klassischen Computern unlösbar sind.
1994 entdeckte Peter Shor einen Quantenalgorithmus für die Faktorisierung ganzer Zahlen, der exponentiell schneller ausgeführt wird als der bekannteste klassische Algorithmus. Die Faktorzerlegung ermöglicht, dass viele unserer Verschlüsselungssysteme mit öffentlichen Schlüsseln, auf denen unsere heutige E-Commerce-Sicherheit basiert (z. B. RSA und Kryptografie für elliptische Kurve), geknackt werden. Diese Entdeckung hat ein großes Interesse an Quantencomputing ausgelöst und führte zur Entwicklung von Quantenalgorithmen für viele andere Probleme.
Was ist ein Qubit?
Genau wie Bits das grundlegende Informationsobjekt beim klassischen Computing sind, sind Qubits (Quantenbits) das grundlegende Objekt von Informationen im Quantencomputing.
Qubit ist die Grundeinheit für Informationen beim Quantencomputing. Qubits spielen beim Quantencomputing eine ähnliche Rolle wie Bits beim klassischen Computing, verhalten sich jedoch vollkommen anders. Klassische Bits sind binär und können nur eine Position von $0$ oder $1$ enthalten, aber Qubits können eine Superposition aller möglichen Zustände enthalten. Dies bedeutet, dass sich ein Qubit in einem Zustand von 0, 1 oder einer Quanten superposition der beiden befinden kann. Es gibt unendliche Superpositionen von 0 und 1, und jeder davon ist ein gültiger Qubit-Zustand.
Bei der Quantenberechnung werden die Informationen in der Superposition der Zustände 0 und 1 codiert. Bei 8 Bit können Sie beispielsweise 256$ verschiedene Werte codieren$, aber Sie müssen einen davon auswählen, um sie zu codieren, da die 256 Werte nicht koexistieren können. Mit 8 Qubits könnten Sie die 256 Werte gleichzeitig codieren. Dieses Verhalten liegt daran, dass sich ein Qubit in einer Superposition aller möglichen Zustände befinden kann.
Weitere Informationen finden Sie unter "The qubit in quantum computing".
Was sind die Anforderungen zum Erstellen eines Quantencomputers?
Ein Quantencomputer ist ein Computer, der quantenmechanische Phänomene nutzt. Quantencomputer verwenden Quantenzustände von Materie, um Informationen zu speichern und zu berechnen. Sie können &zitieren; Programm" Quantenphänomene, um Dinge schneller oder besser als klassische Computer zu tun.
Der Aufbau eines Quantencomputers ist eine komplexe technische Herausforderung, die ein tiefes Verständnis der Quantenmechanik und die Fähigkeit erfordert, Quantensysteme in kleinsten Skalen zu steuern. Beim Erstellen eines Quantencomputers ist es wichtig, darüber nachzudenken, wie die Qubits erstellt werden, und wie sie gespeichert, bearbeitet und die Ergebnisse der Berechnungen gelesen werden.
Deshalb arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure an verschiedenen Qubit-Technologien, um Quantencomputer zu bauen, da jede Technologie ihre eigenen Vor- und Nachteile hat. Die meisten verwendeten Qubit-Technologien sind Trapped-Ion-Qubits, supraleitende Qubits und topologische Qubits. Bei einigen Methoden zur Speicherung von Qubits wird die Einheit, welche die Qubits enthält, auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt, um die Kohärenz zu maximieren und die Interferenz zu reduzieren. Bei anderen Arten von Einheiten für Qubits wird eine Vakuumkammer verwendet, um Schwingungen zu minimieren und die Qubits zu stabilisieren. Signale können auf verschiedene Weise an die Qubits gesendet werden, z. B. über Mikrowellen, Laser oder Spannung.
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.
Superposition
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).
Im Gegensatz zu klassischen Teilchen sind zwei Zustände $A$ und $B$ gültige Quantenzustände eines Quantenpartikels, dann ist jede lineare Kombination der Zustände auch ein gültiger Quantenzustand: $\text{Qubit-Zustand}=\alpha A + \beta B$. Diese lineare Kombination von Quantenzuständen $A$ und $B$ wird als Superposition bezeichnet. $\alpha$ Hier und $\beta$ sind die Wahrscheinlichkeitsamplituden von $A$ bzw$. B$, so dass $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.
Nur Quantensysteme wie Ionen, Elektronen oder supraleitende Schaltkreise können in Superpositionszuständen existieren, durch die die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings zum Tragen kommt. Ein Quantenteilchen wie ein Elektronen hat seine eigene Eigenschaft "nach links oder nach rechts gerichtet", nämlich Drehung, die entweder nach oben oder unten bezeichnet wird, so dass der Quantenzustand eines Elektronens eine Superposition von &Quot ist; quot;&und " drehfeld nach unten".
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.