Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing ist eine neuartige Methode des Rechnens, die äußerst komplexe Probleme schnell löst, indem sie Konzepte aus der Grundlagenphysik anwendet. Seit Jahrzehnten haben digitale Computer unsere Fähigkeit erleichtert, Informationen zu verarbeiten. Quantencomputing hat jedoch das Potenzial, das Rechnen zu revolutionieren. Quantencomputing stellt eine völlig neue Methode des Rechnens dar.

McKinsey hat das Quantencomputing als eines der bevorstehenden großen technologischen Trends benannt, aufgrund seines immensen Potenzials und Momentum. Nur eines der drei Hauptfelder zur Entwicklung der Quanten-Technologie, das Quantencomputing, würde bis 2035 fast 1,3 Billionen Dollar wert sein. Zahlreiche Investoren schenken dem Thema Aufmerksamkeit und erweitern ihre Fonds: Allein von staatlichen Investoren wurden 34 Milliarden Dollar an Investitionen zugesagt.

Wie funktionieren Quantencomputer?

Das ist der Betrieb von Quantencomputing: Bits sind die Grundlage des klassischen Rechnens, das die Technologie ist, die Ihren Laptop und Ihr Smartphone betreibt. 

Ein Bit ist eine Dateneinheit, die die Kapazität hat, eine oder mehrere Null zu halten. Im Gegensatz dazu sind Quantenbits oder Qubits, die die Fähigkeit besitzen, sowohl Einsen als auch Nullen zu halten, die Grundlage des Quantencomputings. 

Überlagerung

Überlagerung, die Fähigkeit von Qubits, gleichzeitig Null und Eins darzustellen, ist ein grundlegendes Merkmal aller Quantenstates. Ähnlich wie beim traditionellen Rechnen werden Qubits physisch auf Chips gespeichert.

Supraleiter

Es ist möglich, dass Ihr Desktop-Computer einen Lüfter benötigt, um ausreichend kühl zu arbeiten. Damit unsere Quantenprozessoren "Dekohärenz" vermeiden oder ihre Quantenstates behalten, müssen sie extrem kalt sein – etwa ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

In Charge

Josephson-Kontakte sind supraleitende Qubits, die wir in unseren Quantencomputern verwenden. Wir können das Verhalten dieser Qubits manipulieren und sie dazu bringen, zu halten, zu ändern oder beides, indem wir Mikrowellenphotonen auf sie richten. 

Was macht uns am Quantencomputing interessiert?

Forscher und Ingenieure sagen voraus, dass Quantencomputer einige Probleme leicht bewältigen können, die für traditionelle, klassische Computer praktisch unüberwindbar sind. Außerdem wird erwartet, dass Quantencomputer bestehende Kryptographietechniken auf die Probe stellen und neue Wege für völlig private Kommunikation eröffnen.

Die Einsen und Nullen werden von physischen Objekten in beiden Arten von Computern codiert. Diese Geräte kodieren Bits, oder binäre Ziffern, in zwei Zuständen zur Verwendung in klassischen Computern. Beispiele für solche Zustände sind Strom an und aus sowie auf und ab magnetische Felder.

Qubits können durch die Manipulation von Atomen, Elektronen oder elektrisch geladenen Atomen, die als Ionen bekannt sind, erzeugt werden. Alternativ können sie durch Nanotechnologien erzeugt werden, die als künstliche Atome bekannt sind, wie supraleitende Qubit-Schaltungen, unter Verwendung von Lithographie, einer Drucktechnik.

Was sind die Prinzipien hinter Quantencomputing?

Quantenmechanik wird von Quantencomputern verwendet. Um die Quantenkonzepte vollständig zu begreifen, muss man eine neue Sprache entwickeln, die Begriffe wie Dekodierung, Verschränkung und Existenz umfasst. Lassen Sie uns diese Ideen näher betrachten.

Überlagerung

Gemäß der Überlagerung können Sie zwei oder mehr Quantenstates kombinieren, um einen neuen, gültigen Quantenstate zu erstellen, ähnlich wie Wellen in der traditionellen Physik. 

Verschränkung

Wenn zwei Systeme so eng verbunden sind, dass das Verständnis eines sofort das Verständnis des anderen vermittelt, unabhängig von der Entfernung zueinander, wird dieses Phänomen als Quantenverschränkung bezeichnet. Messungen eines Partikels können von Quantenprozessoren verwendet werden, um Informationen über ein anderes zu schlussfolgern.

Inkonsistenzen

Der Verlust des Quantenstate eines Qubits ist als Dekohärenz bekannt. Strahlung und andere Umweltbedingungen haben das Potenzial, die Quantenstates der Qubits zu kollabieren. 

Was sind Typen von Quanten-Technologien?

Zahlreiche Unternehmen und Forschungseinrichtungen untersuchen verschiedene Arten von Qubits, aber niemand hat die optimale Methode zur Konstruktion eines fehlertoleranten Quantencomputers demonstriert. Im Folgenden beschreiben wir einige dieser Qubit-Technologien kurz.

Ionentascher-Prozessoren basierend auf Toren

Ein Gerät, das Eingabedaten entgegennimmt und sie mithilfe einer vorher festgelegten unitären Operation umwandelt, ist als gate-basierter Quantencomputer bekannt. Der Betrieb ähnelt den Gate-Operationen in der herkömmlichen Elektronik und wird in der Regel durch einen Quantenkreis dargestellt. Elektronische Tore und Quanten-Gates sind jedoch völlig unabhängig voneinander.

Supraleitende Prozessoren basierend auf Toren

Bei extrem niedrigen Temperaturen können in Materialien wie Helium und Quecksilber eine Reihe von physikalischen Eigenschaften, die als Supraleitung bekannt sind, beobachtet werden. In diesen Materialien gibt es eine spezifische kritische Temperatur, unterhalb derer magnetische Flussfelder freigesetzt werden und der elektrische Widerstand null ist. 

Photonen-Prozessoren

Ein Gerät, das Licht manipuliert, um Berechnungen durchzuführen, wird als Quanten-photonischer Prozessor bezeichnet. In photonic quantum computers werden Quantenlichtquellen verwendet, die komprimierte Lichtimpulse erzeugen. Die Qubit-Äquivalente dieser Quellen entsprechen Moden eines kontinuierlichen Operateurs, der Impuls oder Richtung ist.

Prozessoren mit neutralen Atomen

Die Technologie der gefangenen Ionen und die Technologie der neutralen Atome, die Qubits erzeugen, sind vergleichbar. Aber anstelle elektromagnetischer Kräfte, um das Qubit zu fangen und zu halten, geschieht dies mit Licht. Bei normaler Temperatur können die Schaltungen funktionieren und die Atome sind nicht geladen.

Rydberg Prozessoren

Ein angeregtes Atom, das ein oder mehrere Elektronen besitzt, die im Durchschnitt weiter vom Kern entfernt sind, wird als Rydberg-Atom bezeichnet. Zu ihren vielen ungewöhnlichen Eigenschaften gehören ihre lange Lebensdauer und ihre erhöhte Empfindlichkeit gegenüber magnetischen und elektrischen Stimuli.

Quanten-Annealer

Der physikalische Prozess des Quanten-Annealing wird verwendet, um die Qubits eines quantenmechanischen Systems auf ein absolut minimales Energieniveau zu bringen. Die Hardware ändert dann allmählich die Konfiguration des Systems, um die Energieumgebung so zu gestalten, dass sie dem Problem entspricht, das gelöst werden muss. 

Warum ist die Geschwindigkeit von Quantencomputern höher?

Lassen Sie uns ein Beispiel sehen, wie Quantencomputer in Situationen erfolgreich sein können, in denen klassische Computer dies nicht können:

Ein traditioneller Computer könnte bei komplexen Aufgaben wie der Durchsuchung einer großen Datenbank von Chemikalien sehr gut sein. Er hat jedoch Schwierigkeiten mit kniffligeren Fragen, z. B. beim Modellieren des Verhaltens dieser Moleküle.

In diesen Tagen müssen Wissenschaftler Moleküle erstellen und reale Experimente mit ihnen durchführen, um zu lernen, wie sie sich verhalten werden. In der Regel müssen sie die neue Version synthetisieren und ihr Experiment wiederholen, um zu beobachten, wie sich eine kleine Änderung auf ihr Verhalten auswirkt. 

Diese Arten von herausfordernden Problemen gehen Quantenalgorithmen anders an, die mehrdimensionale Rechenumgebungen erstellen. Dieser Ansatz erweist sich als deutlich effektiver bei der Lösung komplexer Probleme wie chemischer Simulationen.

Ohne Quantencomputing sind diese Rechenräume in ihrer Nützlichkeit eingeschränkt, da wir keine gangbare Methode haben, um sie mit herkömmlichen Computern zu erstellen. Quantenansätze werden bereits von Industriekennern untersucht, um mögliche Anwendungen in ihrer Arbeit zu finden.

 Das ist nur ein Beispiel. Unter anderem suchen internationale Versandunternehmen, Finanzinstitute und Ingenieurbüros nach Anwendungsfällen, bei denen Quantencomputer signifikante Probleme in ihren Bereichen lösen könnten.

Existieren Quantencomputer?

Seit fast zehn Jahren gibt es sich entwickelnde Quantencomputer in verschiedenen Konfigurationen. Zahlreiche Technologieunternehmen besitzen mittlerweile betriebsfähige Quantencomputer und bieten diese zum Verkauf zusammen mit entsprechenden Softwareentwicklungstools und Programmiersprachen an.

Die vielseitigste Technik befindet sich noch in der frühen Entwicklungsphase; sie verwendet logische Prozesse zur Steuerung von Qubits mit Quanten-Gates. Diese Tage verfügen solche Computer typischerweise über weniger als 100 Qubits. 

Ein wichtiger Meilenstein für diese Technologie wurde 2019 erreicht, als ein Quantencomputer eine bestimmte Berechnung in einem Bruchteil der Zeit löste, die ein herkömmlicher Supercomputer benötigte. 

Obwohl es in der Entwicklung fortgeschrittener ist, ist das Quanten-Annealing eine andere Methode zur Verwendung von Quantencomputing, die auf einen bestimmten Berechnungstyp beschränkt ist. Bei dieser Methode werden in einem kryogenen Kühlschrank Tausende von Qubits verwendet, um schnell die effektivsten Antworten auf herausfordernde Probleme zu schätzen. 

Einige Unternehmen und Organisationen haben entweder diese Arten von Computern gekauft oder Zeit auf neuen Modellen gemietet, um Probleme in der Planung, dem Design, der Logistik und der Materialentdeckung zu lösen.

Welche Komponenten bilden einen Quantencomputer?

Ähnlich wie klassische Computer haben Quantencomputer Hardware und Software.

Quantenhardware 

In der Quantenhardware gibt es drei Hauptteile.

Die Quanten-Datenebene

Die physikalischen Qubits und die benötigten unterstützenden Strukturen, die sie an ihrem Platz halten, sind Teil der Quanten-Datenebene, die das zentrale Element eines Quantencomputers bildet.

Koordinaten- und Messebene

Digitale Signale werden von der Steuerungs- und Mess-Ebene in analoge oder Wellensteuerungssignale umgewandelt. Die Operationen an den Qubits in der Quanten-Datenebene werden von diesen analogen Signalen durchgeführt.

Verwalten Sie die Host-Prozessor- und Prozessor-Ebene

Der Quantenalgorithmus oder die Folge von Operationen wird von der Steuerungs-Prozessor-Ebene umgesetzt. Die Steuerungs- und Mess-Ebene empfängt ein digitales Signal oder eine Reihe von klassischen Bits vom Host-Prozessor, der mit der Quanten-Software kommuniziert.

Software-Quanten

Quanten-Software verwendet Quantenkreise, um spezielle Quantenalgorithmen zu implementieren. Eine Rechenroutine, die eine Sequenz von logischen Quantenoperationen auf den grundlegenden Qubits angibt, wird als Quantenkreis bezeichnet. 

Wie beginnt man ein Quantencomputing-Projekt?

Wenn Sie mit einem Quantenhardware-Simulator auf Ihrem lokalen Computer experimentieren möchten, können Sie beginnen. Regulierungssoftware kann das Quantenverhalten auf einem klassischen Gerät mit Emulation nachahmen. 

Wenn Sie Ihre Algorithmen testen möchten, bevor Sie Geld für Quantenhardware ausgeben, können sie sehr hilfreich sein. Sie sind jedoch nicht in der Lage, tatsächliches Quantenverhalten zu replizieren.

Ohne teure Hardware kaufen zu müssen, können Sie auch auf einem echten Quantencomputer programmieren, indem Sie einen Online-Quantencomputing-Dienst nutzen. 

Welche Branchen werden am meisten von Quantencomputing profitieren?

Basierend auf den Anwendungsfällen, die im vorherigen Abschnitt behandelt wurden, zeigen Forschungen, dass einige Branchen besonders in naher Zukunft am meisten vom Quantencomputing profitieren können. 

Pharmazeutika

Die Entwicklung und Forschung von molekularen Strukturen in der biopharmazeutischen Industrie könnte mit dem Aufkommen des Quantencomputings eine revolutionäre Wende nehmen. Die Arzneimittelforschung und -entwicklung könnte mit Hilfe von Quantentechnologie effizienter und weniger abhängig von Trial-and-Error werden.

Chemikalien

Die Anwendung von Quantencomputing im Katalysator-Design könnte zu Kosteneinsparungen im Vergleich zu den derzeitigen Herstellungsverfahren führen. Neuartige Katalysatoren könnten es möglicherweise ermöglichen, Kohlenstoff für die Produktion von CO2 abzubauen oder einen umweltfreundlicheren Rohstoff für Petrochemikalien zu verwenden.

Mobilität

Eine intelligente, vernetzte und umweltfreundliche Mobilitätsökologie könnte aus dem Quantencomputing entstehen. Große Datenmengen müssen schnell und einfach zwischen Computern innerhalb von Fahrzeugen und Computern außerhalb fließen, damit Veränderungen eintreten. 

Automobil

Quantencomputing hat Anwendungsmöglichkeiten im Mobilitätssektor für die Automobilindustrie, einschließlich F&E, Produktdesign, Lieferkettenmanagement, Produktion sowie Mobilitäts- und Verkehrsmanagement.

Fazit

Wenn Sie mit Quantencomputing experimentieren möchten, können Sie mit einem Quantenhardware-Emulator auf Ihrem lokalen Computer beginnen. Emulatoren sind normale Softwareprogramme, die das Quantenverhalten auf einem klassischen Computer nachahmen. Sie ermöglichen es Ihnen, Quantenstates zu sehen und sind vorhersagbar. Nutzen Sie ein standardisiertes Set von Entwicklungstools, um mit verschiedenen Quantencomputern und Schaltungsimulationsmodellen zu arbeiten. Erstellen Sie Quantenprojekte mit einfachen Preisen und Verwaltungskontrollen sowohl für Quanten- als auch für traditionelle Technologien in einer zuverlässigen Cloud.