Grundlagen des Quantencomputing für Dummies

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Haben Sie schon von Quantencomputern gehört? Möchten Sie mehr darüber erfahren? Haben Sie vor, in absehbarer Zukunft Algorithmen für Quantencomputer zu programmieren? Lesen Sie weiter, um einige Schlüsselbegriffe zu verstehen, die verschiedenen Arten von Quantencomputern kennenzulernen, einen Überblick über die wunderbare Welt der Qubits zu erhalten und zu erfahren, wo Sie einen entsprechenden Kurs belegen können. (Das heißt, einen oder mehrere Online-Kurse.)

BEGRIFFE AUS DEM QUANTENCOMPUTING

Das Quantencomputing ist eine neuere Form der Datenverarbeitung, bei der die Prinzipien der Quantenmechanik zur Ausführung von Rechenaufgaben genutzt werden. Die folgenden Definitionen werden Ihnen helfen, sich in der fremdartigen, aber faszinierenden neuen Welt des Quantencomputing zurechtzufinden.

• Quantenmechanik: Eine andere Art von Physik als die klassische Mechanik, mit der die Menschen in ihrem täglichen Leben konfrontiert sind, und die sie von typischen Computern erwarten, den so genannten klassischen Computern. Die Prinzipien der Quantenmechanik gelten in der Regel für sehr kleine Teilchen, wie Atome, Elektronen und Photonen. Sie kommen ebenfalls bei bestimmten Materialien unter extremen Bedingungen, also extremen Temperaturen und Druck, zum Tragen. Also zum Beispiel bei bestimmten Metallen, wenn diese supergekühlt (auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt) und so angeordnet sind, dass sie einen Strom abwechselnd blockieren oder zulassen.
• Kohärenz: Solange Materie, die nach quantenmechanischen Prinzipien funktioniert, nicht direkt beobachtet, gemessen oder anderweitig gestört wird, ist sie kohärent: Sie kann quantenmechanische und nicht klassische Eigenschaften wie Superposition, Verschränkung und Tunneling zeigen.
• Superposition (Überlagerung): Ein kohärentes Teilchen kann sich gleichzeitig in einer Vielzahl von Zuständen abbilden und kollabiert erst bei einer Messung in einen bestimmten Zustand. So kann beispielsweise ein Elektron in einem Superpositionszustand einen Spin - eine magnetische Eigenschaft - haben, der weder nach oben (1) noch nach unten (0) gerichtet ist, bis der Spin gemessen wird; dann nimmt er entweder einen Wert von 1 oder 0 an.
• Verschränkung: Wenn zwei kohärente Teilchen verschränkt sind, sind der Zustand des einen und der Zustand des anderen miteinander verbunden. Sind beispielsweise zwei Elektronen verschränkt, kann der Experimentator durch die Messung eines der beiden Elektronen, das sich im Zustand 0 befindet, feststellen, dass sich das andere Elektron im Zustand 1 befindet, unabhängig davon, wie weit das andere Elektron entfernt ist.
• Tunneling: Ein kohärentes Teilchen kann tunneln, das heißt, es kann zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Ort erscheinen und im nächsten Augenblick an einem anderen, möglicherweise ziemlich weit entfernten Ort auftauchen. Das Teilchen durchquert nicht den Raum zwischen den beiden Orten. Ein tunnelndes Teilchen wird durch Barrieren, die sich zwischen seinem Ausgangsort und seinem nächsten Ort befinden, nicht beeinträchtigt oder behindert.
• Superkühlung: Werden bestimmte Materialien, zum Beispiel einige Metalle oder Keramiken, fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt, können sie in einen sogenannten superkühlten Zustand versetzt werden. In diesem Zustand hat das Material keinen Stromwiderstand und kann quantenmechanische Eigenschaften aufweisen, obwohl das Material aus Millionen oder Milliarden von Atomen besteht.
• Bose-Einstein-Kondensat: Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) ist ein Gas, das unter extremem Druck steht, auf eine extrem kalte Temperatur reduziert ist oder beides, sodass es quantenmechanisches Verhalten zeigt, obwohl es aus Millionen oder Milliarden von Atomen besteht.

VERSCHIEDENE ARTEN VON QUANTENCOMPUTERN

Quantencomputer gibt es heute in verschiedenen Varianten, die Ihnen alle auf Ihrer Reise in diese neue Welt der Technologie begegnen können:

• Quantensimulator: Ein Quantensimulator, der auf einem klassischen Computer läuft - in der Regel über einen Online-Cloud-Dienst verfügbar -, kann Ihnen den Einstieg in das Quantencomputing zu geringen oder gar keinen Kosten ermöglichen.
• Quanteninspiriertes Computing: Leistungsstarke Hochleistungscomputer (HPC), auf denen Softwarealgorithmen laufen, die Ideen und Ansätze aus der Welt des Quantencomputing aufgreifen, liefern bereits heute nützliche Ergebnisse, während die Leistungsfähigkeit »echter« Quantencomputer allmählich zunimmt.
• Quanten-Annealer: Ein Quanten-Annealer ist eine weniger leistungsfähige Art von Quantencomputer, der dafür aber einfacher zu bauen und zu betreiben ist. Er kann ein begrenzteres Spektrum an Problemen bewältigen als ein gatterbasierter Quantencomputer.
• Gatterbasierter Quantencomputer: Ein gatterbasierter Quantencomputer verwendet ebenso wie ein klassischer Computer Logikgatter, allerdings von einer anderen Art, die es ermöglicht, die quantenmechanischen Eigenschaften der Qubits bei der Ausführung von Programmen zu nutzen.

QUBIT-TYPEN

Qubits sind winzige Materieteilchen, die so vorliegen, dass sie quantenmechanische Eigenschaften aufweisen und über Steuerungsmechanismen wie Laserstrahlen, Mikrowellenstrahlung oder Magnetfelder verfügen.

Die Steuerungsmechanismen ermöglichen es, das Qubit zu initialisieren (in einen unbestimmten Quantenzustand), es durch Programmierschritte zu manipulieren (in der gatterbasierten Datenverarbeitung Logikgatter genannt) und zu messen, um ein Ergebnis zu erhalten, das heißt, 0 oder 1 für jedes Qubit.

Qubits können in einen Superpositionszustand versetzt werden, sie können miteinander verschränkt werden und sie können tunneln.

Nachfolgend sind die in Quantencomputern mit Logikgattern verwendeten Qubits aufgeführt, die derzeit am meisten entwickelt werden, in die investiert wird, und die verwendet werden.

• Supraleitende Qubits: Ein supraleitendes Qubit besteht in seinem Kern aus winzigen Metallstückchen (die jedoch immer noch eine große Anzahl von Atomen enthalten). Die Metallstückchen sind supergekühlt (auf einen Wert nahe dem absoluten Nullpunkt). Die Steuerung erfolgt mittels Mikrowellen und Lasern. Quantencomputer mit supraleitenden Qubits haben derzeit die höchste Anzahl von Qubits (bis zu einigen hundert).
• Ionenfallen-Qubits: Ein Atom, das ursprünglich eine neutrale elektrische Ladung hat, wird ionisiert, das heißt, es wird ein Elektron hinzugefügt oder entfernt, wodurch das Ion eine positive Ladung erhält (wenn ein Elektron, das eine negative Ladung hat, entfernt wird), oder eine negative Ladung (wenn ein Elektron hinzugefügt wurde). Da das Atom eine Ladung hat, lässt es sich leicht mit Hilfe von Magnetfeldern einfangen, wobei zur Steuerung auch Laser eingesetzt werden können. Quantencomputer mit Ionenfallen-Qubits haben sich als höchst zuverlässig (im Sinne der Genauigkeit bei der Ausführung von Programmierschritten) und stabil erwiesen.
• Kalte und neutrale Atom-Qubits: Nicht-ionisierte Atome können ebenfalls als Qubits verwendet werden, indem Laser als Steuerungsmechanismus eingesetzt werden.
• Photonische Qubits: Photonen - die energiereichen, masselosen Teilchen, aus denen das Licht besteht -- können als Qubits verwendet werden, indem Laser und andere Techniken als Steuerungsmechanismus eingesetzt werden.
• Silizium-Spin: Elektronen sind in winzigen Hohlräumen in Silizium, den so genannten Quantenpunkten, gefangen und werden durch Laser und Magnetfelder gesteuert.

MEHR LERNEN IN ONLINE-KURSEN

Es gibt Online-Kurse, in denen Grundlagen des Quantencomputing, die Programmierung von Quantencomputern und andere wichtige Fähigkeiten im Bereich des Quantencomputing vermittelt werden. Hier sind einige der besten Optionen:

MIT Quanteninformationswissenschaften: Die Online-Version eines Kurses des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT).

https://ocw.mit.edu/courses/8-370x-quantum-information-science-i-spring-2018/

Quantenkryptographie: Ein erschwinglicher Online-Kurs des weithin bekannten California Institute of Technology (Caltech).

https://www.edx.org/course/quantum-cryptography

Das Quanteninternet und Quantencomputer: Wie werden sie die Welt verändern? Ein Online-Kurs für Anfänger von der Universität Delft in den Niederlanden. Unterrichtet auf Englisch.

https://www.edx.org/course/the-quantum-internet-and-quantum-computers-how-w-2

Quantencomputer verstehen: Ein Online-Kurs, der die Grundlagen behandelt und die Mathematik weitgehend vermeidet.

https://www.futurelearn.com/courses/intro-to-quantum-computing

Quanten-Quest: Ein Kurs für Oberstufenschüler, der die Online-Plattform Discord für die Kurskommunikation...