Was ist Quantencomputing?

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Quantencomputer führen neue Konzepte für traditionelle Programmiermethoden ein, indem sie die speziellen Regeln der Quantenphysik verwenden, um Berechnungen durchzuführen.

Sehen wir uns an, wie sich Quantencomputing von klassischem Computing unterscheidet und wie man einen Quantencomputer erstellt.

Die Geburt von Quantencomputing

Die Idee eines Quantencomputers wurde aus der Schwierigkeit heraus geboren, Quantensysteme auf einem klassischen Computer zu simulieren. In den 1980er Jahren schlugen Richard Feynman und Yuri Manin vor, dass Hardware basierend auf Quantenphänomenen für die Simulation von Quantensystemen effizienter sein könnte als herkömmliche Computer.

Es gibt viele Wege, um zu verdeutlichen, warum die Simulation von Quantensystemen so schwierig ist. Am einfachsten ist es, sich vor Augen zu führen, dass die Materie auf Quantenebene in einer Vielzahl möglicher Konfigurationen (so genannten Zuständen) gleichzeitig vorliegt.

Quantencomputing wächst exponentiell

Betrachten Sie ein System von Quantenpartikeln, z. B. Elektronen. Es gibt $40$ mögliche Positionen oder Orte für die Elektronen. Das System kann sich also in einer beliebigen von $2^{40}$ Konfiguration befinden (da jeder Ort entweder ein Elektron oder kein Elektron haben kann). Zum Speichern des Quantenzustands der Elektronen im Arbeitsspeicher auf einem herkömmlichen Computer müsste dieser eine Größe von mehr als $130$ GB haben! Wenn die Elektronen an einer zusätzlichen Position zugelassen wurden, damit sie sich in einer von $41$ möglichen Positionen befinden können, ergeben sich doppelt so viele Konfigurationen ($2^{41}$). Hierfür wäre zum Speichern des Quantenzustands ein Arbeitsspeicher mit einer Größe von mehr als $260$ GB erforderlich.

Dieses Spiel zur Erhöhung der Anzahl von Speicherorten kann nicht unbegrenzt weiter gespielt werden. Wenn Sie den Zustand konventionell speichern wollen, würden Sie die Speicherkapazitäten der leistungsstärksten Maschinen der Welt schnell überschreiten. Bei einer Zahl von einigen Hundert Elektronen übersteigt der Arbeitsspeicherwert, der zum Speichern des Systems benötigt wird, die Anzahl von Partikeln im Universum. Daher besteht keinerlei Hoffnung, die entsprechende Quantendynamik mit unseren herkömmlichen Computern jemals simulieren zu können.

Verwandeln von Schwierigkeiten in Chancen

Die Beobachtung dieses exponentiellen Wachstums führte zu einer wichtigen Frage: Können wir diese Schwierigkeit in eine Chance verwandeln? Genauer gesagt: Wenn die Simulation der Quantensysteme so schwierig ist, was würde dann passieren, wenn wir Hardware bauen, die über Quanteneffekte in Form von grundlegenden Vorgängen verfügt? Könnten wir Quantensysteme von interagierenden Partikeln mit einem Computer simulieren, der genau die gleichen Gesetze der Physik ausnutzt? Und könnten wir Computer verwenden, um andere Aufgaben zu untersuchen, die keine Quantenpartikeln aufweisen, aber für uns entscheidend sind? Diese Fragen haben zur Entstehung des Quantencomputing geführt.

1985 zeigte David Deutsch, dass ein Quantencomputer das Verhalten eines beliebigen physischen Systems effizient simulieren konnte. Die Entdeckung war der erste Hinweis darauf, dass Quantencomputer verwendet werden könnten, um Probleme zu lösen, die auf klassischen Computern unlösbar sind.

1994 entdeckte Peter Shor einen Quantenalgorithmus für die Faktorisierung ganzer Zahlen, der exponentiell schneller ausgeführt wird als der bekannteste klassische Algorithmus. Die Faktorzerlegung ermöglicht, dass viele unserer Verschlüsselungssysteme mit öffentlichen Schlüsseln, auf denen unsere heutige E-Commerce-Sicherheit basiert (z. B. RSA und Kryptografie für elliptische Kurve), geknackt werden. Diese Entdeckung hat ein großes Interesse an Quantencomputing ausgelöst und führte zur Entwicklung von Quantenalgorithmen für viele andere Probleme.

Seitdem wurden schnelle und effiziente Quantencomputeralgorithmen für schwierige klassische Aufgaben entwickelt: Simulieren von physischen Systemen in der Chemie, Physik und Materialwissenschaft, Durchsuchen einer unsortierten Datenbank, Lösen von Systemen mit linearen Gleichungen und maschinelles Lernen.

Was ist ein Qubit?

Genau wie Bits das grundlegende Informationsobjekt beim klassischen Computing sind, sind Qubits (Quantenbits) das grundlegende Objekt von Informationen im Quantencomputing.

Qubit ist die Grundeinheit für Informationen beim Quantencomputing. Qubits spielen eine ähnliche Rolle beim Quantencomputing, wie Bits in der klassischen Berechnung, aber sie verhalten sich anders. Klassische Bits sind binär und können nur eine Position von $0$ oder $1$ aufweisen, aber Qubits können eine Überlagerung aller möglichen Zustände enthalten. Dieses Verhalten bedeutet, dass sich ein Qubit in einem Zustand von $0$, $1$ oder einer Quantenüberlagerung der beiden befinden kann. Es gibt eine unendliche Anzahl möglicher Überlagerungen von $0$ und $1$, und jeder von ihnen ist ein gültiger Qubit-Zustand.

Bei der Quantenberechnung werden die Informationen in der Überlagerung der Zustände $0$ und $1$ codiert. Mit $8$ Bits könnten wir z. B. $256$ verschiedene Werte codieren, aber wir müssen einen davon auswählen, um ihn zu codieren. Mit $8$-Qubits konnten wir die Werte von $256$ gleichzeitig codieren, da ein Qubit in einer Oberposition aller möglichen Zustände sein kann.

So erstellen Sie einen Quantencomputer

Ein Quantencomputer ist ein Computer, der quantenmechanische Phänomene nutzt. Quantencomputer verwenden Quantenzustände von Materie, um Informationen zu speichern und zu berechnen. Sie können Quanteninterferenzen „programmieren“, um Dinge schneller oder besser zu erledigen als klassische Computer.

Beim Erstellen eines Quantencomputers müssen wir darüber nachdenken, wie die Qubits erstellt und wie sie gespeichert werden können. Wir müssen auch darüber nachdenken, wie wir sie manipulieren und die Ergebnisse unserer Berechnungen lesen können.

Die meisten verwendeten Qubit-Technologien sind Trapped-Ion-Qubits, supraleitende Qubits und topologische Qubits. Bei einigen Methoden zur Speicherung von Qubits wird die Einheit, welche die Qubits enthält, auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt, um die Kohärenz zu maximieren und die Interferenz zu reduzieren. Bei anderen Arten von Einheiten für Qubits wird eine Vakuumkammer verwendet, um Schwingungen zu minimieren und die Qubits zu stabilisieren. Signale können auf verschiedene Weise an die Qubits gesendet werden, etwa mithilfe von Mikrowellen, per Laser oder mittels Stromspannung.

Die fünf Kriterien für einen Quantencomputer

Ein guter Quantencomputer sollte diese fünf Features aufweisen:

1. Skalierbar: Er kann viele Qubits haben.
2. Initialisierbar: Er kann die Qubits auf einen bestimmten Zustand festlegen (in der Regel den $0$-Zustand).
3. Resilient: Er kann die Qubits lange im Zustand der Überlagerung halten.
4. Universell: Ein Quantencomputer muss nicht jeden möglichen Vorgang ausführen, nur eine Gruppe von Vorgängen, die als universeller Satz bezeichnet wird. Eine Gruppe universeller Quantenvorgänge zeichnet sich dadurch aus, dass jeder andere Vorgang in eine Sequenz von ihnen zerlegt werden kann.
5. Zuverlässig: Er kann die Qubits genau messen.

Diese fünf Kriterien werden oft als die DiVincenzo-Kriterien für die Quantenberechnung bezeichnet.

Die technische Herausforderung der Entwicklung von Geräten, die diese fünf Kriterien erfüllen, ist einer der anspruchsvollsten technischen Herausforderungen, mit der sich die Menschheit je konfrontiert gesehen hat. Microsoft arbeitet in Partnerschaft mit einigen der besten Hersteller von Quantencomputern auf der ganzen Welt, um Ihnen durch Azure Quantum Zugang zu den neuesten Quantencomputinglösungen zu bieten.