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 diese beiden Komponenten heute ein Grundbaustein jedes elektronischen Geräts sind, erleben Sie im Grunde genommen „Quantenmechanik in Aktion“.
Allerdings wird die Quantenindustrie nun die Computerwelt revolutionieren, da erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um die wahre Kraft des Quantenbereichs zu nutzen. Quantencomputing könnte in verschiedenen Sektoren wie Sicherheit, Gesundheitswesen, Energie und sogar in der Unterhaltungsindustrie Anwendung finden.
Quanten 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, eine inhärente Eigenschaft von Quantenteilchen, als mächtige Waffe zur Verwirklichung des Quantenpotenzials dienen kann.
Wie die Theorie besagt, ist es scheinbar unmöglich, jede einzelne Eigenschaft einzelner Quantenteilchen (zB 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 präzise 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 Zuordnung von Wahrscheinlichkeiten zu verschiedenen Eigenschaften von Quantenteilchen wie Geschwindigkeit, Position und Bewegungsrichtung, die scheinbar schwer mit Sicherheit zu sagen sind. 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 Nullen und Einsen mit Schaltern und Schaltungen verbunden sind, die zu verschiedenen Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden. Daher erscheint es im Computerkontext nicht sinnvoll, ihren genauen Zustand (dh ein oder aus) nicht zu kennen.
Im wahrsten Sinne des Wortes kann es zu Berechnungsfehlern 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.
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 wichtig, hier hervorzuheben, dass eine solche High-End-Verschlüsselung (dh eine ausgeklügelte Methode, um geheime Daten oder Schlüssel in einen Code umzuwandeln, der unbefugten Zugriff verhindert) das Ergebnis physikalischer Gesetze und nicht der heute verwendeten mathematisch geskripteten Algorithmen ist. 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 akademische Einrichtungen nützlich sein, da sie bei der Lösung komplexer Probleme helfen könnten, mit denen aktuelle Computer als schwierig zu bewältigen sind.
Eine wichtige Anwendung könnte die Medikamentenentwicklung sein, wo sie Chemikalien und Moleküle nahtlos simulieren und analysieren könnte, da die Moleküle nach den gleichen Gesetzen der Quantenphysik wie Quantencomputer funktionieren. 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 scheinbar 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, dh Hardware und Software.
Laut Cosmos hat ein Forscherteam in China einen Quantencomputer gebaut, der eine komplexe Berechnung in etwas mehr als 60 Minuten durchführte, die für einen klassischen Computer mindestens 8 Jahre oder länger gedauert hätte.
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 in der Lage sind, das anspruchsvollste Problem zu lösen, das klassische Computer buchstäblich unpraktisch zu ergründen brauchen.
Der Quantenmeilenstein wurde erstmals 2019 von Google erreicht , als Qubits verwendet wurden, die Strom verwendet, 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.
In einem Forschungspapier, das auf dem Pre-Print-Server ArXiv veröffentlicht wurde , enthüllte 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. Laut The Quantum Daily wird erwartet, dass die Quantenindustrie bis Ende 2030 einen Wert von mehreren Milliarden Dollar haben wird. Obwohl es vor einer solch groß angelegten Einführung 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 einer Wahrscheinlichkeit miteinander verriegelt werden, dass jedes Qubit einzeln unbestimmt bleibt, aber als Einheit mit dem anderen synchron ist – was bedeutet, dass entweder beide 0 oder 1 sind.
Diese individuelle Unvorhersehbarkeit und kombinierte Sicherheit wird als „Verschränkung“ bezeichnet – ein praktisches Werkzeug für die meisten Quantencomputing-Algorithmen heute. Daher können Unternehmen durch einen vorsichtigen Umgang mit Unsicherheit fit für die Quantenzukunft werden.