Quantencomputing – die neue Computergeneration

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts gibt es Computer, die mittlerweile nicht mehr aus dem Alltag der Menschen hinwegzudenken sind. Kein Wunder, denn die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt. Ob die Verarbeitung von Texten mit Microsoft Word, die Erstellung von Präsentationen mit PowerPoint, die Nutzung von Spezialsoftware oder das Spielen von diversen Games, sowohl im privaten als auch im beruflichen Umfeld ist es eine Selbstverständlichkeit geworden, moderne Technologie für die Erledigung von Aufgaben und für die Unterhaltung zu nutzen.

Mit dem Quantencomputing steht eine neue Generation von Computern in den Startlöchern, die als „Game Changer“ bezeichnet werden. Was Quantencomputing ist und wie es funktioniert, erfahren Sie in diesem Blogbeitrag.

Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing bezieht sich auf eine Computertechnologie, die die Prinzipien der Quantenmechanik wie Verschränkung, Überlagerung und Interferenz nutzt, um große Datenmengen zu verarbeiten und komplexe Berechnungen für herkömmliche Computersysteme und Supercomputer zu ergründen.

Was zur Entwicklung des Quantencomputing beitrug

Die heutigen gewöhnlichen Computer bestehen aus zahlreichen Chips, die Bits für Berechnungen verwenden. Diese Bits nehmen einen der beiden Werte Null oder Eins an, wobei Null die „Aus“-Position und Eins die „Ein“-Position darstellt. Mehrere solcher Bits, die eine Kombination aus Einsen und Nullen zeigen, sind die grundlegenden Einheiten jeder Website, App oder Fotografie, die wir verwenden oder auf die wir zugreifen.

Während Bits bequem zu verwenden sind, offenbaren sie im Wesentlichen nicht die Natur unseres Universums, die weit über Ein- und Ausschaltbedingungen hinausgeht. Eine große Portion Unsicherheit gehört zu unserer Welt und kann derzeit selbst von den leistungsstärksten Supercomputern nicht verarbeitet werden.

Der Unsicherheitsfaktor kam im Laufe des letzten Jahrhunderts ans Licht, als Wissenschaftler entdeckten, dass physikalische Gesetze auf der subatomaren Ebene nicht gelten und sich deutlich von denen unterscheiden, die wir täglich beobachten. Dies führte zur Entwicklung der „Quantenmechanik“, die die Wissenschaft der subatomaren Elemente entschlüsselte. Sie legte den Grundstein für Physik, Chemie und Biologie.

Jetzt, da das Phänomen der Ungewissheit sichtbar wurde, brauchten Technologen ein Werkzeug, um Berechnungen durchzuführen und gleichzeitig die Ungewissheit zu managen. So wurde „Quantencomputing“ geboren. Es basiert auf physikalischen Gesetzen, die die subatomare Welt beherrschen, in der sich Elementarteilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen und Orten befinden können. Die Technologie beobachtet das Verhaltensmuster von Materie und Energie auf Quantenebene und nutzt es in einem Quantencomputermodell aus.

Daher verwendet, manipuliert und kontrolliert die Quantencomputertechnologie diese Gesetze der Quantentheorie, um komplexe Aufgaben und Berechnungen mit einer gewissen Unsicherheit auszuführen. Obwohl Quantencomputing eine relativ neue Technologie ist, machen Unternehmen wie IBM, Google, Microsoft und andere erhebliche Fortschritte in diesem Bereich.

Im Januar 2019 machte IBM einen großen Sprung im Quantencomputing, als es die Markteinführung seines ersten kommerziellen Quantencomputers ankündigte. Andererseits gab Google im Oktober 2019 bekannt, dass es eine Quantenmaschine entwickelt hat, die ein typischerweise komplexes Problem in 200 Sekunden lösen kann, welches mit dem schnellsten Supercomputer der Welt erst nach 10.000 Jahren gelöst werden könnte.

Wie funktioniert Quantencomputing?

Heutige Computer verwenden binäre Systeme, um Daten zu kodieren. Ein solches binäres Framework läuft auf Prozessoren, die Transistoren für Berechnungen verwenden. Die Transistoren fungieren als Schalter in der Computerschaltung und erzeugen Nullen und Einsen, um die Rechenlogik zu verarbeiten. Bei Quantencomputern werden diese Nullen und Einsen jedoch durch Quantenbits, auch Qubits genannt, ersetzt, die Quanteninformationen kodieren und verschiedene Quantenzustände verarbeiten.

Quantencomputer arbeiten also mit Qubits. Diese stellen quantenmechanische Systeme dar, die unterschiedliche Quantenwerte annehmen und über die herkömmlichen Einsen und Nullen hinaus exponentiell skalieren können. Beispielsweise kann ein Zwei-Qubit-System vier gleichzeitige Berechnungen durchführen, während ein Drei-Qubit-System acht und ein Vier-Qubit-System 16 ausführt.

Superposition impliziert, dass das Quantensystem gleichzeitig in mehreren verschiedenen Zuständen sein kann. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Münzwurfszenario vor. Wenn Sie die Münze werfen, endet sie als Kopf oder Zahl. Wenn wir jedoch den Zustand der Münze während des Wurfs in der Luft betrachten, sind eigentlich beide Endzustände präsent – sowohl Kopf als auch Zahl. In ähnlicher Weise befinden sich Quantenteilchen wie Elektronen in einem Zustand der Quantenüberlagerung, bis sie gemessen werden. Infolgedessen wird der Faktor „Unsicherheit“ in Quantencomputern berücksichtigt.

Verschränkung bezieht sich auf die Verschränkung von zwei oder mehr Qubits durch Herstellen einer Korrelation zwischen ihnen. Wenn Qubits verschränkt sind, wirkt sich jede Änderung an einem der Qubits ausnahmslos auf die anderen aus.

Interferenz ist eine Methode zur Steuerung der Quantenzustände in einer Quantenmaschine durch Verstärkung oder Abschwächung der Wellenfunktionen von Quantenteilchen. Als Ergebnis können Quantenzustände, die zu einer korrekten Ausgabe führen, verstärkt werden, während man anschließend die Zustände aufheben kann, die eine falsche Ausgabe ergeben.

Quantenmaschinen funktionieren in lauten Umgebungen nicht gut. Sie werden durch externes Rauschen beeinträchtigt, da der von Qubits aufrechterhaltene „Überlagerungs“-Zustand gestört wird, was zu Berechnungsfehlern führt. Darüber hinaus speichern Quantenzustände Informationen nur für kurze Zeit. Da man weiß, dass die Daten in kürzester Zeit aus der Kohärenz geraten können, ist es daher unerlässlich, die Rechenaufgaben durchzuführen, während die Informationen noch am Leben sind.

Um solche Probleme zu überwinden, werden Quantencomputer auf niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten. Da Wärme anfällig für Rauschen und Fehler ist, werden niedrigere Temperaturen bevorzugt, um eine längere Beibehaltung des Quantenzustands der Qubits zu ermöglichen, einschließlich Überlagerung und Verschränkung.

Ein Beispiel für die Funktionsweise – die Sitzordnung

Lassen Sie uns die Funktionsweise des Quantencomputers anhand eines Beispiels verstehen. Angenommen, Sie laden fünf Kollegen zu Ihrer Hochzeit ein und müssen ihre Sitzordnung planen. Die Gesamtzahl der Möglichkeiten, dies zu tun, beträgt 5! = 120 (Fakultät der Zahl 5). Nun tendiert ein herkömmliches Computersystem dazu, jede der 120 Möglichkeiten zu bewerten, sie zu vergleichen und dann über die endgültige Optimierung zu entscheiden.

Ein Quantencomputer unternimmt jedoch folgende Schritte zur Optimierung der Sitzplatzvergabe:

1. Der Rechner betrachtet Qubits und erzeugt Quantenüberlagerung für alle möglichen Quantenzustände.

2. Der Encoder wendet Phasen auf jeden Quantenzustand an und konfiguriert die Qubits. Bei den möglichen phasengleichen Sitzmöglichkeiten addieren sich die Amplituden, bei den phasenverschobenen heben sich die Amplituden auf. Der Prozess ähnelt der in Lautsprechern und Kopfhörern verwendeten Geräuschunterdrückungstechnologie, bei der Geräusche erzeugt oder angewendet werden, um externe Geräusche auszublenden.

3. Der Quantencomputer verwendet dann Interferenzen, um einige Antworten zu verstärken und die anderen aufzuheben oder abzuschwächen. Als Ergebnis wird schließlich eine einzige Lösung für eine optimierte Sitzplatzzuweisung erreicht.

Quantencomputing ist ein spannendes Feld, das in den nächsten Jahren und Jahrzehnten noch einige Überraschungen bereithalten dürfte. Ob wir eines Tages Software wie Microsoft Office oder komplexe Grafikanwendungen für Quantencomputer anbieten werden, kann nicht ausgeschlossen werden. Bis dahin finden Sie in unserem Shop die aktuellste und nützlichste Software für Ihren PC oder Mac zu einem herausragenden Preis-Leistungs-Verhältnis.