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2022 | OriginalPaper | Buchkapitel

2. Quanten-Computing

verfasst von : Volker Lang

Erschienen in: Digitale Kompetenz

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Das Quanten-Computing ist die erste digitale Unterstützungstechnologie, die wir in diesem Buch genauer untersuchen. Manchmal wird es so dargestellt, als würden brillante Wissenschaftler in exotischen Labors die obskursten Naturphänomene erforschen und darauf abzielen, sehr leistungsfähige Science-Fiction-Supercomputer zu bauen, die praktisch alles tun können. Diese öffentliche Wahrnehmung hat sich jedoch in letzter Zeit stark gewandelt, da verschiedene Technologieunternehmen auf der ganzen Welt in diese Technologie investiert haben, um sie auf reale Geschäftsprobleme anzuwenden und potenzielle Anwendungsfälle zu untersuchen. Zu ihnen gehören beispielsweise Google, Microsoft, IBM und Honeywell, um nur einige Pioniere auf diesem Gebiet der industriellen Forschung zu nennen. Sie berichten häufig über ihre neuesten Errungenschaften, zeigen aktuelle Geschäftsanwendungen auf und betonen die großen Aussichten dieser Digitalen Technologie. Sogar The New York Times griff diesen Trend kürzlich auf und bezeichnete das Quanten-Computing als eines der „aufregendsten und geheimnisvollsten Konzepte der modernen Wissenschaft“ [1].

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Fußnoten
1
Siehe z. B. das YouTube-Video auf https://​youtu.​be/​-ZNEzzDcllU/​.​
 
2
Der Begriff „Quantum“ stammt aus dem Lateinischen „quantus“ für „wie viel“ oder „wie groß“.
 
3
Später erweiterten die Physiker dieses Konzept der quantisierten natürlichen Einheiten und führten unter anderem die Planck-Zeit und die Planck-Länge als Quanten für Zeit und Raum ein. Dies ist in der Tat eine sehr kontraintuitive und ebenso merkwürdige Idee, da sich Raum und Zeit erfahrungsgemäß nicht schrittweise, sondern kontinuierlich verändern. Diese beiden Einheiten sind jedoch unglaublich klein, weshalb wir diese Quantisierung in unserem täglichen Leben nicht beobachten können.
 
4
Dieser Begriff bezieht sich auf das natürliche Phänomen, dass elektrisch geladene Teilchen aus oder in einem Material freigesetzt werden, wenn dieses Licht absorbiert.
 
5
Dieser Ansatz wurde von dem amerikanischen Physiker und Philosophen David Bohm in den 1950er-Jahren vorgeschlagen, um eine probabilistische Interpretation und das daraus resultierende Nichtlokalitätsparadoxon zu vermeiden. Er vertrat im Wesentlichen die Auffassung, dass es neben Position und Impuls eine Reihe „verborgener Variablen“ gibt, die weniger „restriktiv“ und deterministisch sind und sich besser eignen, die Realität ohne Wahrscheinlichkeitstheorie zu beschreiben.
 
6
Die Viele-Welten-Interpretation wurde in den 1960er-Jahren von dem amerikanischen Physiker Hugh Everett geprägt, der die Auffassung vertrat, dass alle möglichen probabilistischen Lösungen der Wellenfunktion gleichermaßen real sind und es eine unendlich große Anzahl von Universen gibt, in denen jede mögliche Lösung der Wellenfunktion realisiert wird.
 
7
Ohne ins Detail zu gehen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Katze lebt, tatsächlich durch das Quadrat von α gegeben, d. h. α · α = α2 , und die Wahrscheinlichkeit, dass die Katze tot ist, entsprechend durch β.2
 
8
Laser ist die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) und bezeichnet eine leistungsstarke Lichtquelle, die aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften der emittierten Photonen, der so genannten räumlichen und zeitlichen Kohärenz, sehr gut fokussiert werden kann.
 
9
Mathematisch gesehen wird ein quantenmechanischer Zustand als verschränkt bezeichnet, wenn er nicht als Produkt (bezeichnet mit dem Symbol „⊗“) von Ein-Teilchen-Zuständen geschrieben werden kann. Zum Beispiel ist der Zwei-Teilchen-Zustand |↑〉A |↑〉B + |↑〉A |↓〉B + |↓〉A |↑〉B + |↓〉A |↓〉B nicht verschränkt, da er nach den Regeln der Grundrechenarten dem Produktzustand ( |↑〉A + |↓〉A ) ⊗ ( |↑〉B + |↓〉B ) entspricht.
 
10
Richard Feynman ist nur einer von vier Wissenschaftlern, die als Gründerväter der Quanten-Informatik gelten können. Der erste (russische) Artikel über Quanten-Information wurde bereits 1973 von dem sowjetischen Mathematiker Alexander Holevo veröffentlicht, der eine Beziehung zwischen Quantenbits und klassischen binären Informationsbits herstellte [11]. Zwei Jahre später zeigte R. P. Poplavskĭi I., dass die Simulation von Quantensystemen auf Klassischen Computern aufgrund des Superpositionsprinzips nicht durchführbar ist [12]. Die Idee eines echten Quanten-Computers wurde von dem russischen Mathematiker Juri Manin in seinem berühmten Buch Computable and Uncomputable (Berechenbar und unberechenbar) aus dem Jahr 1980 entwickelt [13].
 
11
Bitte denken Sie daran, dass dies etwa zwei Milliarden Buchstaben und Symbolen entspricht, die im 8-Bit-ASCII-Code gespeichert werden können.
 
12
Die goldene Farbe stammt von einer reflektierenden Thermofolie – ähnlich der im Verbandskasten Ihres Fahrzeugs – die dazu dient, die verschiedenen Komponenten des Computers so gut wie möglich thermisch zu isolieren.
 
13
Diese Wechselwirkung wird als Coulomb-Wechselwirkung bezeichnet und beruht auf dem Effekt, dass sich zwei positiv oder negativ geladene Teilchen gegenseitig abstoßen.
 
14
Quantenpunkte werden oft auch als „künstliche Atome“ bezeichnet, da frühe Experimente gezeigt haben, dass die Energie von Elektronen, die in sehr kleinen räumlichen Bereichen eingeschlossen sind, ähnlich gequantelt ist wie die Energie von Elektronen in Atomen.
 
15
Deshalb werden Phononen aus naheliegenden Gründen der viel größeren Gruppe der so genannten Quasiteilchen zugeordnet.
 
16
Die Rechte-Hand-Regel ist ein grundlegendes physikalisches Gesetz, das die Richtung des Magnetfelds beschreibt, das durch einen elektrischen Strom induziert wird: Wenn die Finger der rechten Hand in Richtung des Kreisstroms gekrümmt sind, zeigt der rechte Daumen auf den Nordpol des induzierten Magnetfelds.
 
17
Die Energie eines Cooper-Paares ist mit der „Geschwindigkeit“ verbunden, mit der die supraleitenden Ströme im oder gegen den Uhrzeigersinn fließen.
 
18
Die Gesamtzahl der möglichen Routen beim Problem des Handelsreisenden ist im Allgemeinen durch die mathematische Gleichung (N – 1)!/2 gegeben, wobei N die Anzahl der Städte bezeichnet.
 
19
Die verschiedenen Qubits in der QPU sind vorkonfiguriert und in einem so genannten Chimären Graphen verdrahtet. Dabei handelt es sich um eine spezielle zweidimensionale Anordnung von Qubits, das sich als sehr vielseitig erweist: Es kann leicht angepasst werden, um die Graphen einer großen Bandbreite kombinatorischer Probleme darzustellen, indem bestimmte Knoten und Kanten der Chimäre ein- bzw. ausgeschaltet werden.
 
20
Das Fehlen jeglichen Wärmeaustauschs zwischen den Qubits und der sie beherbergenden Umgebung wird physikalisch als adiabatischer Prozess bezeichnet, weshalb Quanten-Annealer manchmal auch „adiabatische Quantencomputer“ genannt werden.
 
21
Wissenschaftler unterteilen kombinatorische Optimierungsprobleme in zwei weitere Unterkategorien, je nach dem mathematischen Modell, mit dem sie gelöst werden sollen. Sie werden als Ising-Modell und QUBO-Modell für quadratische, uneingeschränkte binäre Optimierung bezeichnet. Weitere Einzelheiten sind z. B. in [54] zu finden.
 
22
Dieser Ansatz wird als Schaltungs-Quantenelektrodynamik bezeichnet, da er auf physikalischen Wechselwirkungen zwischen Cooper-Paaren und Photonen beruht, wobei letztere durch eine Theorie namens „Elektrodynamik“ beschrieben werden.
 
23
Weitere Einzelheiten finden Sie z. B. unter https://​youtu.​be/​IWQvt0RBclw/​.
 
24
Ein nettes Tool zum Nachschlagen der Verwendung bestimmter Wörter in der Literatur ist übrigens Google Ngrams auf https://​books.​google.​com/​ngrams/​.
 
26
Die Verschränkung ist für den Betrieb eines Quanten-Computers aus drei Gründen entscheidend: (1) Sie delokalisiert die Quanten-Information und ermöglicht es, räumlich getrennte Quantenlogik-Gatter auf der QPU zu verbinden, (2) bietet einen geräuschlosen Kanal für die Übertragung von Qubits zwischen räumlich getrennten Quantenlogik-Gattern durch einen Prozess, der als Quanten-Teleportation bezeichnet wird [68], und (3) ermöglicht eine fehlertolerante Quantenberechnung, um den zerstörerischen Einfluss der Umgebung zu eliminieren [69, 70].
 
27
Die Barium-138-Ionen stoßen im Wesentlichen mit den schwereren Ytterbium-171-Ionen zusammen und kühlen diese allmählich ab, indem sie ihre Bewegungswärmeenergie übernehmen, ohne ihren Qubit-Zustand zu verändern.
 
28
Ein Primfaktor ist eine natürliche Zahl größer als eins, die nicht durch Multiplikation zweier kleinerer natürlicher Zahlen gebildet werden kann.
 
29
Diese Berechnung basiert auf einer bescheidenen Taktrate von 1 MHz oder einer Million Operationen pro Sekunde.
 
Literatur
1.
2.
3.
4.
5.
Pednault, E. et al. 2019. Leveraging secondary storage to simulate deep 54-qubit sycamore circuits. arXiv:1910.09534.
6.
7.
8.
9.
Feynman, R. 1965. The Feynman lectures on physics, Vol. III, quantum mechanics. Reading Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company.
10.
11.
Holevo, A. S. 1973. Bounds for the quantity of information transmitted by a qu antum communication channel. Problems of Information Transmission 9(3): 177–183.
12.
13.
Manin, Y. I. 1980. Computable and uncomputable. Moscow: Sovetskoye Radio.
14.
15.
Nielsen, M. A., und I. L. Chuang. 2010. Quantum computation and quantum information. Cambridge: Cambridge University Press.MATH
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
van Dyck, R. S., et al. 1978. New frontiers in high energy physics. New York: Plenum.
24.
Ghosh, P. K. 1995. Ion traps. Oxford: Callendon Press.
25.
Major, F. G., et al. 2002. Charged particle traps. Heidelberg: Springer.
26.
27.
28.
29.
Rosenberg, H. M. 1975. The solid state. Oxford: Oxford University Press.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
LaRose, R. 2019. Overview and comparison of gate level quantum software platforms. Quantum 3(130): 10.22331/q-2019-03-25-130.
46.
47.
Otterbach, J. S. et al. 2017. Unsupervised machine learning on a hybrid quantum computer. arXiv: 1712.05771v1.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
Van Vreumingen, D. et al. 2019. Quantum-assisted finite-element design optimization. arXiv:1908.03947.
55.
56.
57.
58.
59.
Feynman, R. 2000. Feynman lectures on computation. Boca Raton: CRC Press/Taylor & Francis Group.MATH
60.
61.
62.
63.
64.
65.
Preskill, J. 2012. Quantum computing and the entanglement frontier. arXiv:1203.5813v3.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
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107.
108.
109.
110.
Metadaten
Titel
Quanten-Computing
verfasst von
Volker Lang
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Buch
Digitale Kompetenz

Print ISBN: 978-3-662-66284-7

Electronic ISBN: 978-3-662-66285-4

Copyright-Jahr: 2022

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-66285-4_2