Quantum computing

Was ist Quantum Computing​

Quantencomputer können neue Durchbrüche auf dem Gebiet der Wissenschaft, lebensrettende Medikamente, Methoden des maschinellen Lernens, mit denen Krankheiten so schnell wie möglich diagnostiziert werden können, effizientere Geräte und Strukturmaterialien, finanzielle Strategien für das Leben im Ruhestand und die Entwicklung von Algorithmen für das Ressourcenmanagement fördern Auto. Aber was genau ist Quantencomputer? Was ist erforderlich, um diese Quantendurchbrüche zu erzielen? Das müssen Sie wissen.

 

Qubits: überlappen und kreuzen Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman (Richard Feynman) ging bereits 1981 davon aus, dass diese Berechnungen auf sogenannten Quantencomputern durchgeführt werden könnten. Seitdem ist dieses Konzept weitgehend theoretisch. Seitdem hat es großes Interesse geweckt und ist mittlerweile zu einem breiten Forschungs- und Entwicklungsfeld geworden.  Solche Quantencomputer verwenden Qubits, die kurz als Qubits bezeichnet werden. Im Vergleich zu klassischen Computern können sich hier die Zustände von Speichereinheiten überschneiden. Daher bedeutet dies nicht nur 0 oder 1, Qubits können sich auch in allen möglichen Zuständen dazwischen befinden. Dieses Phänomen nennt man Überlagerung. Sobald jedoch der Zustand des Qubits gemessen ist, ist er wie ein reguläres Bit. Dann muss der Wert 0 oder 1 sein.

 

Wenn Sie jetzt mehrere Qubits addieren, befindet sich keines davon in einem definierten Zustand. Die Gesamtzahl der Qubits enthält nur einen Zustand. Diese Eigenschaft wird in der Quantenmechanik als "Verschränkung" bezeichnet, was bedeutet, dass die Zustände zweier Teilchen voneinander abhängen. Am Beispiel von zwei Qubits kann man nach der Messung deutlich erkennen, dass sich eines im Zustand 1 befindet und das andere bereits im klaren Zustand. 

 

Dekohärenz überwinden Kurz gesagt, Überlagerung und Verschränkung bilden den entscheidenden Unterschied, von dem Quantencomputer profitieren sollten: Bei einer bestimmten Anzahl von Qubits können viele reguläre Bitsequenzen gleichzeitig dargestellt werden. Berechnung in diesem Zustand bedeutet, alle diese Bitsequenzen gleichzeitig zu berechnen. Für einige Probleme wird erwartet, dass diese "Quantenparallelität" einen signifikanten Geschwindigkeitsvorteil gegenüber herkömmlichen Computern erzeugt.

 

Eine der Herausforderungen für Forscher ist jedoch die Inkohärenz. Wenn ein geschlossenes Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, ändert sich der Zustand des Systems selbst und der Umgebung irreversibel. Wenn dies während der Berechnung passiert, sind sie falsch.  Um die fehlerfreie Ausführung der Operation zu gewährleisten, müssen die Qubits des Quantencomputers so weit wie möglich von der Umgebung getrennt werden, um die Dekohärenzzeit entsprechend zu minimieren. Dies kann zu einem Zielkonflikt führen, da der Zustand eines einzelnen Qubits auch von außen geändert werden muss.  Die Anzahl der verwendeten Qubits spielt ebenfalls eine technische Rolle: Je größer die Anzahl, desto größer der erwartete Geschwindigkeitsvorteil. Gleichzeitig nimmt jedes Mal, wenn ein Qubit hinzugefügt wird, das Hindernis zur Vermeidung von Dekohärenz zu.

 

Fünf Prinzipien von Quantencomputern

 

Im Jahr 1996, Physiker David DiVincenzo (David DiVincenzo) basierend auf diesen Überlegungen, um fünf Standards zu entwickeln, werden diese Standards als ausreichend angesehen, um die Anforderungen von Quantencomputern zu erfüllen: 

  • Skalierbares Qubitsystem

  • Möglichkeit, das Qubit auf einen bestimmten Zustand zu setzen

  • Satz gemeinsamer Elemente für logische Operationen

  • Die Dekohärenzzeit ist lang und viel länger als die Berechnungszeit

  • Ein für ein Qubit spezifisches Gerät zur Messung seines Zustands

Bisher war es nicht möglich, ein System zu entwickeln, das all diese Anforderungen erfüllt.  Dies ist unter anderem auf die mangelnde Klarheit hinsichtlich des am besten geeigneten Kandidaten für die physikalische Realisierung von Qubits zurückzuführen. Zum Beispiel werden die Energieniveaus von Atomen oder der Drehimpuls von Elektronen diskutiert, aber viele andere Möglichkeiten wurden untersucht.

Geschichte

Ein Quantencomputer mit einigen Qubits wurde möglicherweise in den 1990er Jahren realisiert. Beispielsweise wurde der Shors-Algorithmus im Jahr 2001 im IBM Almaden Research Center in einem 7-Qubit-System implementiert, das auf Kernspinresonanz basiert und die Zahl 15 in ihre Hauptfaktoren 3 und 5 zerlegen kann. [29] Im Jahr 2003 konnten Quantencomputer, die auf in Ionenfallen gespeicherten Partikeln basierten, auch den Deutsch-Jozsa-Algorithmus implementieren.

 

Im November 2005 hat Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck erstmals erfolgreich ein Quantenregister mit 8 verschränkten Qubits erstellt. Die Verschränkung aller acht Qubits muss durch 650.000 Messungen überprüft werden und dauert 10 Stunden.  Im März 2011 haben Innsbrucker Wissenschaftler die Anzahl der Qubits erneut verdoppelt. Sie fingen 14 Calciumatome in einer Ionenfalle ein und betrieben sie dann mit einem Laser nach dem Prinzip eines Quantenprozessors.

 

Im Jahr 2011 setzte ein Forschungsteam am Boulder National Institute of Standards and Technology (NIST) erfolgreich Mikrowellen ein, um Ionen zu verschränken. Das NIST-Forschungsteam hat gezeigt, dass nicht nur komplexe, raumfüllende Lasersysteme zur Durchführung solcher Operationen verwendet werden können, sondern auch miniaturisierte Mikrowellenelektronik. Um eine Verschränkung zu erzeugen, haben Physiker eine Mikrowellenquelle in die Elektroden eines sogenannten Chipkollektors integriert, einer mikroskopisch kleinen chipartigen Struktur, die zum Speichern und Manipulieren von Ionen in einer Vakuumkammer verwendet wird. Durch ihre Experimente zeigten die Forscher, dass die Verschränkung von Ionen und Mikrowellen in allen Fällen effektiv ist. Laserbasierte Quantenlogikgatter, die seit mehreren Jahren in der Forschung eingesetzt werden, sind derzeit mit einer Rate von 99,3% besser als mikrowellenbasierte Gatter. Der Vorteil der neuen Methode besteht darin, dass sie nur ein Zehntel des Raums des Laserexperiments einnimmt

 

Am 2. Januar 2014 zitierte die Washington Post den Whistleblower Edward Snowden (Edward Snowden), um zu berichten, dass die National Security Agency (NSA) an der Entwicklung eines Quantencomputers arbeitet, der "in der Kryptographie nützlich" ist. Obwohl der aktuelle Stand der Technologie (2019) keine Sicherheitsbedrohung darstellt, wird die Post-Quanten-Kryptographie untersucht.  Seit 2015 bietet IBM Online-Zugriff auf supraleiterbasierte Quantenprozessoren. Anfangs waren 5 Qubits verfügbar, seit November 2017 waren es 20. Die Website enthält einen Editor, mit dem Quantencomputerprogramme geschrieben werden können, sowie ein SDK und interaktive Anweisungen. Bis November 2017 wurden mehr als 35 wissenschaftliche Veröffentlichungen mit dem IBM Q Experience-Computer veröffentlicht. IBM bietet über die Cloud auch Zugriff auf 50 Qubit-Maschinen in seinem Labor. Der Quantenzustand des Systems wird für 90 Mikrosekunden aufrechterhalten, was Ende 2017 ein Rekord ist.

 

In Bezug auf die Technologie zur effizienten Simulation von Quantencomputern auf klassischen Hochleistungscomputern gab IBM 2017 bekannt, dass die 49-Qubit-Grenze erreicht wurde.

 

Neben IBM (Stand 2018) entwickeln viele große Computerunternehmen sogenannte Quantencomputer oder deren Technologien, wie Startups wie Google, Microsoft, Intel und Rigetti aus San Francisco. Im Jahr 2018 zeigte Google seinen neuen Quantum Processor Bristlecone mit 72 Qubits (zuvor 9 Qubits) und einer geringen Fehlerrate bei logischen Operationen und Auslesungen.

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Ausblick

Es sind noch große Herausforderungen zu bewältigen Die Technologie ist nicht perfekt und noch nicht ausgereift. Auf der Tagesordnung stehen zwei dringende Herausforderungen: Beseitigung von Fehlerraten und Entwicklung von Anwendungen für den ersten Prototyp.  Der Wettbewerb hat gerade erst begonnen und die ersten Teilnehmer sind bereit. Google hat bereits behauptet, seinen Bristlecone-Quantenprozessor zu besitzen. Viele Partnerschaften werden ebenfalls gebildet. Samsung arbeitet mit IBM, Daimler mit Google und Airbus sowie Goldman Sachs und BMW mit Software- und Service-Agenten. Andererseits haben Intel und Microsoft eine enge Zusammenarbeit mit QuTech aufgebaut.  Für jedes Unternehmen ist es sehr wichtig, (revolutionäres) Quantencomputing zu verstehen und zu verstehen, da es einen entscheidenden Einfluss auf sein eigenes Geschäft haben kann.

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