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Was ist Quantencomputing?

Hierbei handelt es sich um die Verwendung von Quantenmechanik zum Ausführen von Berechnungen auf spezieller Hardware.

Einführung in das Quantencomputing

Für eine vollständige Definition von Quantencomputing müssen erst einige wichtige Begriffe definiert werden.

Was sind Quanten?

Der Teil „Quanten“ in „Quantencomputing“ bezieht sich auf die Quantenmechanik, die das System für die Berechnung von Ausgaben verwendet. In der Physik ist ein Quant die kleinstmögliche diskrete Einheit einer physikalischen Größe. In der Regel bezieht sich dieser Begriff auf Eigenschaften atomarer oder subatomarer Teilchen wie Elektronen, Neutrinos und Photonen.

Was ist ein Qubit?

Qubit ist die Grundeinheit für Informationen beim Quantencomputing. Qubits spielen beim Quantencomputing eine ähnliche Rolle wie Bits beim klassischen Computing, verhalten sich jedoch vollkommen anders. Klassische Bits sind binär und können nur die Position 0 oder 1 aufweisen. Qubits können jedoch eine Superposition aller möglichen Zustände aufweisen.

Was ist Quantencomputing?

Quantencomputer machen sich besonderes Verhalten aus der Quantenphysik zunutze (z. B. Superposition, Verschränkung und Quanteninterferenz) und übertragen es auf das Computing. Dadurch werden neue Konzepte für herkömmliche Programmiermethoden eingeführt.

Superposition

Bei einer Superposition weisen Quantenteilchen eine Kombination aller möglichen Zustände auf. Sie fluktuieren so lange, bis sie beobachtet und gemessen werden. Der Unterschied zwischen einer binären Position und Superposition kann z. B. folgendermaßen veranschaulicht werden: Stellen Sie sich eine Münze vor. Bei klassischen Bits wird zum Messen die Münze geworfen und landet auf Kopf oder Zahl. Wenn Sie jedoch eine Münze ansehen und dabei Kopf und Zahl sowie alle Zustände dazwischen gleichzeitig sehen könnten, wäre dies eine Superposition.

Verschränkung

Verschränkung ist die Fähigkeit von Quantenteilchen, ihre Messergebnisse miteinander zu korrelieren. Wenn Qubits verschränkt sind, bilden sie ein gemeinsames System und beeinflussen sich gegenseitig. Aus den Messungen für ein Qubit können Schlussfolgerungen über die anderen gezogen werden. Durch das Hinzufügen und Verschränken weiterer Qubits in einem System können Quantencomputer exponentiell mehr Informationen berechnen und kompliziertere Probleme lösen.

Quanteninterferenz

Quanteninterferenz ist das intrinsische Verhalten eines Qubits, durch das es aufgrund von Superposition die Wahrscheinlichkeit eines Kollapses in irgendeiner Weise beeinflusst. Quantencomputer sind dafür gedacht, Interferenz im größtmöglichen Umfang zu reduzieren und so genaue Ergebnisse wie möglich sicherzustellen. Hierfür verwendet Microsoft topologische Qubits, die stabilisiert werden, indem ihre Struktur manipuliert wird, und die von chemischen Verbindungen umgeben werden, die sie vor äußeren Einflüssen schützen.

Wie funktioniert Quantencomputing?

Ein Quantencomputer verfügt über drei Hauptkomponenten:

  • Einen Bereich, der die Qubits enthält
  • Eine Methode zum Übertragen von Signalen an die Qubits
  • Einen klassischen Computer zum Ausführen eines Programms und zum Senden von Anweisungen

Bei einigen Methoden zur Speicherung von Qubits wird die Einheit, die 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, z. B. über Mikrowellen, Laser oder Spannung.

Anwendungsfälle und -bereiche für Quantencomputer

Quantencomputer können nicht alles schneller als klassische Computer. Sie haben jedoch das Potenzial, einige Bereiche stark zu beeinflussen.

Quantensimulation

Quantencomputer sind besonders gut für das Modellieren anderer Quantensysteme geeignet, da sie Quantenphänomene für ihre Berechnungsergebnisse verwenden. Dies bedeutet, dass sie mit der Komplexität und Mehrdeutigkeit von Systemen umgehen können, die klassische Computer überlasten würden. Beispiele für Quantensysteme, die modelliert werden können, sind Photosynthese, Supraleitfähigkeit und komplexe molekulare Formationen.

Kryptografie

Die klassische Kryptografie (z. B. der Rivest-Shamir-Adleman-Algorithmus (RSA), der häufig zur Absicherung von Datenübertragungen verwendet wird) basiert auf der Schwierigkeit von Problemen wie der Ganzzahlfaktorisierung oder diskreten Logarithmen. Viele dieser Probleme lassen sich jedoch mit Quantencomputern effizienter lösen.

Optimierung

Optimierung ist die Suche nach der besten Lösung für ein Problem unter Berücksichtigung des gewünschten Ergebnisses und der geltenden Einschränkungen. In der Wissenschaft und in der Industrie werden wichtige Entscheidungen basierend auf Faktoren wie Kosten, Qualität und Produktionsdauer getroffen, die alle optimiert werden können. Das Ausführen quanteninspirierter Optimierungsalgorithmen auf klassischen Computern ermöglicht das Finden von Lösungen, die zuvor unmöglich waren. Dies hilft dabei, bessere Lösungen für die Verwaltung komplexer Systeme zu finden, z. B. für den Verkehrsablauf, das Zuweisen von Gates für den Flugverkehr, die Lieferung von Paketen und das Speichern von Energie.

Quantenbasiertes maschinelles Lernen

Maschinelles Lernen auf klassischen Computern revolutioniert die Wissenschafts- und Geschäftswelt. Das Trainieren von Machine Learning-Modellen bringt jedoch hohen Rechenaufwand mit sich, der ein Hindernis für den Umfang und die Entwicklung dieses Bereichs darstellt. Zur Beschleunigung des Fortschritts in diesem Bereich untersucht Microsoft mögliche Lösungen für die Entwicklung und Implementierung von Quantensoftware, die ein schnelleres maschinelles Lernen ermöglicht.

Suchen

Ein im Jahre 1996 entwickelter Quantenalgorithmus beschleunigte Lösungen für Suchvorgänge für unstrukturierte Daten deutlich und führte dazu, dass die Suche in weniger Schritten ausgeführt werden konnte als bei einem klassischen Algorithmus.

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