Quantencomputer für das Qubit:

Was ist Quantencomputer? Normale Computer arbeiten nach strengen Regeln der Logik. Aber winzige Quantenobjekte – wie Elektronen oder Photonen des Lichts – können diese Regeln brechen

Quantencomputing ist die Idee, dass wir diese Quantenregel brechen können, um Informationen auf eine neue Art und Weise zu verarbeiten — eine, die sich völlig von der Funktionsweise normaler Computer unterscheidet. Dies macht sie in einigen Fällen exponentiell schneller als jeder normale Computer.

Zum Beispiel könnte ein Quantencomputer leicht die Codes knacken, die das Internetbanking sicher halten.

Also, wie ein Supercomputer?

Nicht genau. Ein Quantencomputer ist nicht nur ein „schneller“ Computer. Es gibt einige spezifische Aufgaben – wie das Faktorisieren sehr großer Zahlen -, bei denen ein Quantencomputer erstaunlich wäre. (Hier kommt das Codebreaking ins Spiel – siehe unten.), aber für die meisten Jobs wäre ein Quantencomputer kaum besser als ein normaler Computer.

Wofür könnte ein Quantencomputer verwendet werden?

Sie werden wahrscheinlich für Regierungsbehörden, Forschungs- und Entwicklungsunternehmen und Universitäten am nützlichsten sein, um Probleme zu lösen, mit denen aktuelle Computer zu kämpfen haben.

Die erste praktische Idee, die der Physiker Richard Feynman 1981 vorschlug, war die Verwendung eines Quantencomputers zur Simulation der Quantenmechanik. Dies würde die Chemie und Biologie beeinflussen. Chemiker zum Beispiel könnten Arzneimittelwechselwirkungen genau modellieren, und Biologen könnten alle möglichen Möglichkeiten untersuchen, wie Proteine sich falten und miteinander interagieren können.

Während Quantencomputer einst eine akademische Kuriosität waren, explodierte das Interesse 1994, als der amerikanische Mathematiker Peter Shor einen Weg fand, Quantencomputer zum Brechen von Codes zu verwenden.

Derzeit laufen viele Online-Sicherheitssysteme nach dem Prinzip, dass es nahezu unmöglich ist, eine sehr große Zahl zu nehmen und herauszufinden, was ihre Hauptfaktoren sind. Alles, was ein normaler Computer tun kann, ist, jede Möglichkeit nacheinander auszuprobieren – eine Aufgabe, die Milliarden von Jahren dauern könnte. Mit Shors Algorithmus könnte ein Quantencomputer die Aufgabe in wenigen Stunden erledigen.

Quantencomputer könnten auch fantastisch darin sein, Muster in Daten zu erkennen – nützlich für Probleme des maschinellen Lernens, z. B. um verschiedene Objekte in einem Bild identifizieren zu können. Sie könnten großartig darin sein, Modelle zu erstellen, um die Zukunft vorherzusagen, wie zum Beispiel bei der langfristigen Wettervorhersage.

Aber letztendlich ist der Einsatz von Quantencomputern unvorhersehbar. Thomas Watson, Präsident von IBM, sagte 1943: „Ich denke, es gibt einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer.“ Jetzt sind es fünf in jedem Haushalt.

Wenn der Präzedenzfall ein Leitfaden ist, müssen wir uns noch vorstellen, was die Verwendung von Quantencomputern sein wird.

Wie funktioniert Quantencomputer?

Normale Computer basieren auf „Bits“ – stellen Sie sich diese als kleine Schalter vor, die entweder auf eine 1 oder eine 0 zeigen.

Quantencomputing basiert auf Quantenbits oder „Qubits“, die auch eine 0 oder eine 1 darstellen können. Das Verrückte ist, dass Qubits auch einen gemischten Zustand erreichen können, der als „Überlagerung“ bezeichnet wird und bei dem sie gleichzeitig 1 und 0 sind. Diese Mehrdeutigkeit – die Fähigkeit, sowohl „sein“ als auch „nicht sein“ zu können – ist der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit des Quantencomputers.

Wie hilft Superposition?

Der Unterschied zwischen normalen Computern und Quantencomputern besteht darin, wie sie ein Problem angehen.

Ein normaler Computer versucht, ein Problem auf die gleiche Weise zu lösen, wie Sie versuchen könnten, einem Labyrinth zu entkommen – indem Sie jeden möglichen Korridor ausprobieren und in Sackgassen umkehren, bis Sie schließlich den Ausweg finden. Die Überlagerung ermöglicht es dem Quantencomputer jedoch, alle Pfade gleichzeitig auszuprobieren – im Wesentlichen, um die Abkürzung zu finden.

Zwei Bits in Ihrem Computer können sich in vier möglichen Zuständen befinden (00, 01, 10 oder 11), aber immer nur in einem. Dies beschränkt den Computer auf die Verarbeitung einer Eingabe nach der anderen (wie das Ausprobieren eines Korridors im Labyrinth).

In einem Quantencomputer können zwei Qubits auch genau die gleichen vier Zustände (00, 01, 10 oder 11) darstellen. Der Unterschied besteht darin, dass die Qubits aufgrund der Überlagerung alle vier gleichzeitig darstellen können. Das ist ein bisschen so, als würden vier normale Computer nebeneinander laufen.

Wenn Sie einem normalen Computer mehr Bits hinzufügen, kann er immer noch nur einen Zustand gleichzeitig verarbeiten. Aber wenn Sie Qubits hinzufügen, wächst die Leistung Ihres Quantencomputers exponentiell. Für die mathematisch Geneigten können wir sagen, dass Sie, wenn Sie „n“ Qubits haben, gleichzeitig 2n Zustände darstellen können.)

Es ist wie diese alte Fabel über einen alten Inder namens Sessa, der das Schachspiel erfunden hat. Der König freute sich über das Spiel und bat Sessa, seine Belohnung zu nennen. Sessa bat demütig um ein einziges Schachbrett mit einem Weizenkorn auf dem ersten Feld, zwei auf dem zweiten, vier auf dem dritten und so weiter. Der König stimmte sofort zu, ohne zu merken, dass er mehr Weizen versprochen hatte, als es auf der Erde gab. Das ist die Kraft des exponentiellen Wachstums.

So wie jedes Quadrat den Weizen von Sessa verdoppelte, verdoppelt jedes zusätzliche Qubit die Rechenleistung. Drei Qubits geben Ihnen 23, was acht Zustände gleichzeitig sind; vier Qubits geben Ihnen 24, was 16 ist. Und 64 Qubits? Sie geben Ihnen 264, was 18.446.744.073.709.600.000 Möglichkeiten ist! Das sind ungefähr eine Million Terabyte.

Während 64 reguläre Bits auch diese große Anzahl (264) von Zuständen darstellen können, kann es nur einen nach dem anderen darstellen. Um all diese Kombinationen mit zwei Milliarden pro Sekunde (was eine typische Geschwindigkeit für einen modernen PC ist) zu durchlaufen, würde es etwa 400 Jahre dauern.

All dies bedeutet, dass Quantencomputer Probleme lösen könnten, die für klassische Computer „praktisch unmöglich“ sind.

Aber um diese exponentielle Beschleunigung zu erreichen, muss das Schicksal aller Qubits in einem Prozess namens Quantenverschränkung miteinander verknüpft werden. Dieses seltsame Phänomen, das Einstein „gruselige Aktion in der Ferne“ nannte, kann Quantenteilchen verbinden, selbst wenn sie sich an entgegengesetzten Enden des Universums befinden.

Was macht ein Qubit aus?

Um ein Qubit herzustellen, benötigen Sie ein Objekt, das einen Zustand der Quantenüberlagerung zwischen zwei Zuständen erreichen kann.

Ein Atomkern ist eine Art Qubit. Die Richtung seines magnetischen Moments (es ist „Spin“) kann in verschiedene Richtungen zeigen, sagen wir nach oben oder unten in Bezug auf ein Magnetfeld.

Die Herausforderung besteht darin, dieses einzelne Atom zu platzieren und dann anzusprechen.

Ein australisches Team unter der Leitung von Michelle Simmons von der University of New South Wales hat atomare Qubits hergestellt, indem es ein einzelnes Phosphoratom an einer bekannten Position in einem Siliziumkristall platziert hat.

Eine andere Idee ist, ein Elektron vom Atom abzustreifen und es in ein Ion umzuwandeln. Dann können Sie elektromagnetische Felder verwenden, um das Ion im freien Raum zu suspendieren und Laser darauf abzufeuern, um seinen Zustand zu ändern. Dies ergibt einen Quantencomputer mit „gefangenen Ionen“.

Ein Strom in einer Schleife aus supraleitendem Metall kann sich auch in einer Überlagerung befinden (zwischen dem Uhrzeigersinn und dem Gegenuhrzeigersinn), ein bisschen wie ein kleines Laufband, das gleichzeitig vorwärts und rückwärts läuft.

Ein Photon des Lichts kann sich in der Richtung, in der es sich bewegt, überlagern. Einige Gruppen haben Quantenschaltungen zusammengebaut, indem sie Photonen um ein Labyrinth aus optischen Fasern und Spiegeln geschickt haben.

Wie erstellen Sie die Überlagerung?

Haben Sie jemals versucht, eine Münze genau am Rand auszubalancieren? So ist die Programmierung eines Qubits. Es geht darum, etwas mit einem Qubit zu tun, so dass es in gewissem Sinne zwischen den Zuständen „ausgeglichen“ wird.

Im Falle des Atomkerns könnte dies durch Zappen mit einem elektrischen oder magnetischen Feld geschehen, das sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit in die eine oder andere Richtung dreht.

Wie liest man also Informationen aus den Qubits?

Es gibt eine Aura des Mystischen darüber, was während einer Quantenberechnung vor sich geht. Die Mehr Ausweg-Physiker beschreiben die Qubits als eine Art Quanten-Séance mit parallelen Welten, um die Antwort zu erahnen.

Aber es ist keine Magie, es ist nur Quantenmechanik.

Angenommen, Sie haben Ihren neuen 64-Qubit-Quantencomputer für die erste Berechnung eingerichtet. Sie platzieren alle 64 Qubits in Überlagerung, genau wie 64 Münzen, die alle auf der Kante ausbalanciert sind. Zusammen halten sie 264 mögliche Staaten in der Schwebe. Sie wissen, dass einer dieser Zustände die richtige Antwort darstellt. Aber welche?

Das Problem ist, dass das Lesen der Qubits dazu führt, dass die Überlagerung zusammenbricht – als würde man mit all diesen ausgeglichenen Münzen mit der Faust auf den Tisch schlagen.

Hier ist ein Quantenalgorithmus wie der von Shor nützlich. Es lädt die Qubits, damit sie eher auf die richtige Seite fallen und uns die richtige Antwort geben.

Wurden schon Quantencomputer gebaut?

Anscheinend ja, obwohl noch keiner von ihnen etwas tun kann, das herkömmliche Computer übertrifft.

In den letzten drei Jahren gab es dramatische Fortschritte im Quantencomputing. Im Jahr 2016 feierte das Nature Magazine einen von Google-Forschern entwickelten Neun-Qubit-Computer. Achtzehn Monate später, im Dezember 2017, meldete IBM seinen 50-Qubit-Quantencomputer. Innerhalb von vier Monaten hatte Google mit seinem 72-Qubit-Bristlecone-Quantencomputer erneut die Nase vorn. Inzwischen hat IBM den ersten kommerziell erhältlichen Quantencomputer produziert-Cloud-Zugriff auf ihre 20-Qubit-Q-System einer Maschine, für einen Preis.

D-Wave ist immer noch weit voraus bei der Entwicklung von 2000 supraleitenden Schleifen als Qubits, obwohl einige Physiker skeptisch sind, dass D-Wave einen echten Quantencomputer gebaut hat.

Alle großen Player haben den nächsten großen Meilenstein im Visier: ‚Quantum Supremacy‘. Dies bedeutet, wenn ein Quantencomputer ein Problem löst, das über die Fähigkeiten klassischer Maschinen hinausgeht. Theoretisch sollte dies mit einer 50-Qubit-Maschine möglich sein, aber nur, wenn die Fehlerraten niedrig genug sind.

Warum ist es so schwierig, einen Quantencomputer zu bauen?

Es gibt Herausforderungen auf jeder Ebene, von der Zusammenstellung von Qubits über das Lesen und Schreiben von Informationen bis hin zum Hin- und Herschieben von Informationen, ohne dass sie in einem Hauch von Unsicherheit verschwinden.

Ein Qubit ist die ultimative Diva. Während ein Hollywood-Starlet ein gigantisches Ankleidezimmer und ein Bad voller Rosenblätter verlangt, verlangt ein Qubit perfekte Isolation und einen Thermostat, der auf ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt eingestellt ist. Die geringste Vibration eines nahe gelegenen Atoms kann dazu führen, dass ein Qubit einen Quantentantrum auslöst und seine Überlagerung verliert.

Die übergeordnete Schwierigkeit besteht darin, die empfindlichen Zustände der Überlagerung und Verschränkung lange genug aufrechtzuerhalten, um eine Berechnung durchzuführen – die sogenannte Kohärenzzeit.

Trotz dieser gewaltigen Herausforderung ist der Wettlauf um den Bau des ersten praktischen Quantencomputers zu einer der großen wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit geworden – mit Tausenden von Physikern und Ingenieuren an Dutzenden von Forschungsinstituten auf der ganzen Welt.