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Wie Quantencomputer funktionieren

Ein Quantencomputer ist ein Computerdesign, das die Prinzipien der Quantenphysik verwendet. um die Rechenleistung über das hinaus zu erhöhen, was mit einem herkömmlichen Computer erreicht werden kann. Quantencomputer wurden in kleinem Maßstab gebaut und werden weiterhin auf praktischere Modelle umgestellt.

 

Wie Computer funktionieren

Computer speichern Daten in einem Binärzahlenformat. was zu einer Reihe von Einsen und Nullen führt, die in elektronischen Komponenten wie Transistoren erhalten bleiben . Jede Komponente des Computerspeichers wird als Bit bezeichnet und kann durch die Schritte der Booleschen Logik so manipuliert werden, dass die Bits basierend auf den vom Computerprogramm angewendeten Algorithmen zwischen den Modi 1 und 0 wechseln (manchmal als „Ein“ und „Ein“ bezeichnet) „aus“).

 

Wie ein Quantencomputer funktionieren würde

Ein Quantencomputer würde andererseits Informationen entweder als 1, 0 oder als Quantenüberlagerung der beiden Zustände speichern. Ein solches „Quantenbit“ ermöglicht eine weitaus größere Flexibilität als das Binärsystem.

Insbesondere könnte ein Quantencomputer Berechnungen in einer weitaus größeren Größenordnung durchführen als herkömmliche Computer … ein Konzept, das ernsthafte Bedenken und Anwendungen im Bereich Kryptographie und Verschlüsselung hat. Einige befürchten, dass ein erfolgreicher und praktischer Quantencomputer das Finanzsystem der Welt zerstören könnte, indem er ihre Computersicherheitsverschlüsselungen durchläuft, die darauf beruhen, große Zahlen zu berücksichtigen, die von herkömmlichen Computern innerhalb der Lebensdauer des Universums buchstäblich nicht geknackt werden können. Ein Quantencomputer hingegen könnte die Zahlen in einem angemessenen Zeitraum faktorisieren.

Betrachten Sie dieses Beispiel, um zu verstehen, wie dies die Dinge beschleunigt. Befindet sich das Qubit in einer Überlagerung des 1-Zustands und des 0-Zustands und führt es eine Berechnung mit einem anderen Qubit in derselben Überlagerung durch, so erhält eine Berechnung tatsächlich 4 Ergebnisse: ein 1/1 Ergebnis, ein 1/0 Ergebnis, a 0/1 Ergebnis und ein 0/0 Ergebnis. Dies ist ein Ergebnis der Mathematik, die auf ein Quantensystem angewendet wird, wenn es sich in einem Dekohärenzzustand befindet, der dauert, während es sich in einer Überlagerung von Zuständen befindet, bis es in einen Zustand zusammenbricht. Die Fähigkeit eines Quantencomputers, mehrere Berechnungen gleichzeitig (oder parallel zu Computern) durchzuführen, wird als Quantenparallelität bezeichnet.

Der genaue physikalische Mechanismus im Quantencomputer ist theoretisch etwas komplex und intuitiv störend. Im Allgemeinen wird dies anhand der Multi-World-Interpretation der Quantenphysik erklärt, bei der der Computer Berechnungen nicht nur in unserem Universum, sondern auch in anderen Universen gleichzeitig durchführt, während sich die verschiedenen Qubits in einem Zustand der Quantendekohärenz befinden. Während dies weit hergeholt klingt, hat sich gezeigt, dass die Multi-World-Interpretation Vorhersagen macht, die mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.

 

Geschichte des Quantencomputers

Quantum Computing geht in der Regel auf eine Rede von Richard P. Feynman aus dem Jahr 1959 zurück, in der er über die Auswirkungen der Miniaturisierung sprach, einschließlich der Idee, Quanteneffekte zu nutzen, um leistungsfähigere Computer zu schaffen. Diese Rede wird allgemein auch als Ausgangspunkt der Nanotechnologie angesehen .

Bevor die Quanteneffekte des Rechnens realisiert werden konnten, mussten Wissenschaftler und Ingenieure natürlich die Technologie traditioneller Computer umfassender entwickeln. Aus diesem Grund gab es viele Jahre lang weder direkten Fortschritt noch Interesse daran, Feynmans Vorschläge in die Realität umzusetzen.

1985 wurde von David Deutsch von der Universität Oxford die Idee der „Quantenlogikgatter“ vorgestellt, um das Quantenreich in einem Computer zu nutzen. Tatsächlich zeigte Deutschs Artikel zu diesem Thema, dass jeder physikalische Prozess von einem Quantencomputer modelliert werden kann.

Fast ein Jahrzehnt später, 1994, entwickelte Peter Shor von AT & T einen Algorithmus, der nur 6 Qubits verwenden konnte, um einige grundlegende Faktorisierungen durchzuführen … mehr Ellen, je komplexer die zu faktorisierenden Zahlen natürlich wurden.

Eine Handvoll Quantencomputer wurde gebaut. Der erste, ein 2-Qubit-Quantencomputer aus dem Jahr 1998, konnte triviale Berechnungen durchführen, bevor er nach einigen Nanosekunden die Dekohärenz verlor. Im Jahr 2000 bauten die Teams erfolgreich sowohl einen 4-Qubit- als auch einen 7-Qubit-Quantencomputer. Die Forschung zu diesem Thema ist immer noch sehr aktiv, obwohl einige Physiker und Ingenieure Bedenken hinsichtlich der Schwierigkeiten äußern, die mit der Hochskalierung dieser Experimente auf vollständige Computersysteme verbunden sind. Der Erfolg dieser ersten Schritte zeigt jedoch, dass die fundamentale Theorie solide ist.

 

Schwierigkeiten mit Quantencomputern

Der Hauptnachteil des Quantencomputers ist der gleiche wie seine Stärke: die Quantendekohärenz. Die Qubit-Berechnungen werden durchgeführt, während sich die Quantenwellenfunktion in einem Überlagerungszustand zwischen Zuständen befindet, was es ihr ermöglicht, die Berechnungen unter Verwendung beider 1 & 0-Zustände gleichzeitig durchzuführen.

Wenn jedoch eine Messung irgendeines Typs an einem Quantensystem durchgeführt wird, bricht die Dekohärenz zusammen und die Wellenfunktion kollabiert in einen einzigen Zustand. Daher muss der Computer diese Berechnungen irgendwie fortsetzen, ohne dass Messungen durchgeführt werden, bis zum richtigen Zeitpunkt, wenn er dann aus dem Quantenzustand herausfallen kann, eine Messung durchgeführt wird, um das Ergebnis zu lesen, das dann an den Rest von weitergegeben wird das System.

Die physikalischen Anforderungen für die Manipulation eines Systems in dieser Größenordnung sind beträchtlich und betreffen unter anderem die Bereiche Supraleiter, Nanotechnologie und Quantenelektronik. Jedes von ihnen ist selbst ein hoch entwickeltes Gebiet, das sich noch in der vollständigen Entwicklung befindet. Der Versuch, sie alle zu einem funktionierenden Quantencomputer zusammenzuführen, ist eine Aufgabe, um die ich niemanden besonders beneide … außer der Person, die schließlich Erfolg hat.

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