Wie Quantencomputer die Welt verändern könnten Change

Die Quantenphysik hat unser Leben bereits erheblich beeinflusst. Die Erfindungen des Lasers und des Transistors sind in der Tat eine Konsequenz der Quantentheorie – und da beide Komponenten ein grundlegender Baustein jedes elektronischen Geräts von heute, was Sie erleben, ist im Grunde „Quantenmechanik in“ Aktion".

Allerdings wird die Quantenindustrie nun die Computerwelt revolutionieren, da erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um die wahre Leistung des Quantenbereichs zu nutzen. Quantencomputing könnte in verschiedenen Sektoren wie Sicherheit, Gesundheitswesen, Energie und sogar in der Unterhaltungsindustrie Anwendung finden.

Quantum vs. Klassische Computer

Die Geschichte der Quantentheorie reicht über ein Jahrhundert zurück. Der aktuelle Quantenrausch ist jedoch auf neuere Forschungsergebnisse zurückzuführen, die darauf hindeuten, dass Unsicherheit und inhärente Eigenschaft von Quantenteilchen, kann als mächtige Waffe dienen, um die Quanten Potenzial.

Wie die Theorie besagt, ist es scheinbar unmöglich, jede einzelne Eigenschaft einzelner Quantenteilchen (d. h. Elektronen oder Photonen) zu kennen. Betrachten Sie ein Beispiel für ein klassisches GPS, bei dem es die Geschwindigkeit, Position und Richtung Ihrer Bewegung für Sie genau vorhersagen kann, während Sie an Ihr gewünschtes Ziel gelangen.

Ein Quanten-GPS kann jedoch nicht alle oben genannten Eigenschaften eines Quantenteilchens genau bestimmen, da dies die Gesetze der Quantenphysik nicht erlauben. Dadurch entsteht in der Quantenwelt eher eine probabilistische Sprache als die klassische Sprache der Gewissheit.

In diesem Fall impliziert die probabilistische Sprache die Zuweisung von Wahrscheinlichkeiten zu verschiedenen Eigenschaften von Quanten scheinbar schwer bestimmbare Partikel wie Geschwindigkeit, Position und Bewegungsrichtung Sicherheit. Diese probabilistische Natur von Quantenteilchen führt zu einer Möglichkeit, die es ermöglicht, dass alles und alles zu jedem Zeitpunkt passieren kann.

Im Hinblick auf die Berechnung besitzen die binären Nullen und Einsen, die als Qubits (Quantenbits) dargestellt werden, die Eigenschaft, zu jedem Zeitpunkt eine Eins oder eine Null zu sein.

Die obige Darstellung hinterlässt einen bitteren Geschmack im Mund, da in klassischen Maschinen die Nullen und Einsen mit Schaltern und Schaltkreisen verbunden sind, die zu verschiedenen Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden. Daher erscheint es im Computerkontext nicht sinnvoll, ihren genauen Zustand (d. h. ein oder aus) nicht zu kennen.

Im wahrsten Sinne des Wortes kann es zu Rechenfehlern kommen. Die Informationsverarbeitung in der Quantenwelt beruht jedoch auf dem Konzept der Quantenunsicherheit – wobei die „Überlagerung“ von 0 und 1 kein Fehler, sondern ein Feature ist. Es ermöglicht eine schnellere Datenverarbeitung und ermöglicht eine schnellere Kommunikation.

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An der Schwelle zum Quantencomputing

Die Folge der probabilistischen Eigenschaft der Quantentheorie ist, dass das genaue Kopieren von Quanteninformationen scheinbar unmöglich ist. Aus Sicherheitsgründen ist dies von Bedeutung, da Cyberkriminelle, die beabsichtigen, Quantenschlüssel zu kopieren, um Nachrichten zu verschlüsseln und zu senden, irgendwann scheitern würden, selbst wenn sie Zugang zu Quantencomputern erhalten.

Es ist hier wichtig hervorzuheben, dass eine solche High-End-Verschlüsselung (d. h. ausgeklügelte Methode zur Umwandlung geheimer Daten oder Schlüssel in ein Code, der unbefugten Zugriff verhindert) ist das Ergebnis physikalischer Gesetze und nicht der heute verwendeten mathematisch geskripteten Algorithmen. Mathematische Verschlüsselungen können mit Hilfe leistungsfähiger Computer geknackt werden, das Knacken der Quantenverschlüsselung erfordert jedoch eine Umschreibung der grundlegenden Gesetze der Physik.

Da sich die Quantenverschlüsselung von aktuellen Verschlüsselungstechniken unterscheidet, unterscheiden sich auch Quantencomputer auf einer sehr grundlegenden Ebene von klassischen. Betrachten Sie eine Analogie eines Autos und eines Ochsenkarrens. Dabei gehorcht ein Auto bestimmten physikalischen Gesetzen, die Sie im Vergleich zum Gegenstück in kürzester Zeit ans gewünschte Ziel bringen. Die gleiche Philosophie gilt für einen Quantencomputer und einen klassischen Computer.

Ein Quantencomputer nutzt die probabilistische Natur der Quantenphysik, um Berechnungen durchzuführen und Daten auf einzigartige Weise zu verarbeiten. Es kann Rechenaufgaben viel schneller erledigen und auch einen Sprung in traditionell unmögliche Konzepte wie das der Quantenteleportation machen. Diese Form der Datenübertragung könnte den Weg für das Internet der Zukunft, das Quanteninternet, ebnen.

Wofür könnte ein Quantencomputer heute verwendet werden?

Quantencomputer könnten für F&E-Organisationen, Regierungsbehörden und Hochschulen nützlich sein Institutionen, da sie bei der Lösung komplexer Probleme helfen könnten, für die aktuelle Computer eine Herausforderung darstellen bewältigen.

Eine wichtige Anwendung könnte die Arzneimittelentwicklung sein, wo sie nahtlos simulieren und analysieren Chemikalien und Moleküle, da die Moleküle nach den gleichen Gesetzen der Quantenphysik funktionieren wie Quanten Computers. Darüber hinaus könnte eine effektive Quantenchemie-Simulation möglich sein, da die schnellsten Supercomputer heute dieses Ziel nicht erreichen.

Außerdem könnten Quantencomputer komplexe Optimierungsprobleme lösen und beim schnellen Durchsuchen unsortierter Daten helfen. Dabei gibt es zahlreiche Anwendungen, die von der Sortierung vermeintlich dynamischer Klima-, Gesundheits- oder Finanzdaten bis hin zur Optimierung von Logistik oder Verkehrsfluss reichen.

Quantencomputer sind auch gut darin, Muster in Daten zu erkennen, beispielsweise bei Problemen mit maschinellem Lernen. Darüber hinaus könnten Quantencomputer eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Modellen zur Vorhersage der Zukunft spielen, beispielsweise bei der Wettervorhersage.

Vorbereitungen für die Quantenzukunft

Während der Wettlauf um eine Quantenzukunft im Mittelpunkt steht, treiben Investoren und Regierungsbehörden Milliarden von Dollar in die Quantenforschung und -entwicklung. Ein globales Kommunikationsnetzwerk mit satellitengestützter Quantenschlüsselverteilung wurde bereits implementiert und ebnet den Weg für weitere Entwicklungen.

Unternehmen wie Google, Amazon, Microsoft, IBM und andere investieren massiv in die Entwicklung von Quantencomputing-Ressourcen, d. h. Hardware und Software.

Gemäß Kosmos, baute ein Forscherteam in China einen Quantencomputer, der eine komplexe Berechnung in etwas mehr als 60 Minuten, für die ein klassischer Computer mindestens 8 Jahre oder länger benötigt hätte Komplett.

Es ist ein Highlight der Quantencomputing-Entwicklungen der letzten zwei Jahre. Es wird angenommen, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft endlich den schwer fassbaren „Quantenvorteil“ erreicht hat – wo Quantencomputer sind in der Lage, das anspruchsvollste Problem zu lösen, das klassische Computer buchstäblich unpraktisch zu ergründen brauchen.

Der Quantenmeilenstein wurde erstmals 2019 von Google erreicht wo sie Qubits verwendeten, die Strom verwendeten, um Berechnungen durchzuführen. Später im Jahr 2020 verwendete ein chinesisches Team photonische Qubits, um den Prozess zu beschleunigen. Jetzt im Jahr 2021 hat ein weiteres chinesisches Team (unter der Leitung von Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China in Shanghai) Google erneut überholt.

Im ein Forschungspapier, das auf dem Pre-Print-Server ArXiv. veröffentlicht wurdeveröffentlichte das beitragende Forschungsteam seine Ergebnisse zum Quantenvorteil, indem es supraleitende Qubits auf einem Quantenprozessor namens Zuchongzhi verwendete, der aus 66 Qubits besteht. Das Team zeigte, dass Zuchongzhi 56 Qubits manipulieren konnte, um ein Rechenproblem zu lösen, das darauf abzielte, die Leistung der Computer zu testen.

Die Unsicherheit annehmen

Die rasante Entwicklung in der Welt der Quantentechnologie in den letzten fünf Jahren war ziemlich aufregend. Gemäß Die Quanten-Tageszeitung, wird die Quantenindustrie voraussichtlich bis Ende 2030 eine Bewertung von mehreren Milliarden Dollar haben. Obwohl es vor einem solch groß angelegten Einsatz verschiedene praktische Herausforderungen zu bewältigen gibt, scheint die Zukunft rosig.

Glücklicherweise wirft die Quantentheorie Licht auf die hellere Seite der „Unvorhersehbarkeit“. Nach der Theorie können zwei Qubits mit der Wahrscheinlichkeit, dass jedes Qubit bleibt, miteinander verriegelt werden einzeln unbestimmt, aber als Einheit synchron mit dem anderen – was bedeutet, dass entweder beides ist 0 oder 1.

Diese individuelle Unvorhersehbarkeit und kombinierte Gewissheit wird als „Verschränkung“ bezeichnet – ein praktisches Werkzeug für die meisten heutigen Quantencomputeralgorithmen. Daher können Unternehmen durch einen vorsichtigen Umgang mit Unsicherheit fit für die Quantenzukunft werden.

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