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Über dieses Buch

Dieses essential führt auf eine verständliche Art und Weise in die Grundlagen der Quanteninformation ein, ein sich in den letzten Jahren stürmisch entwickelndes Forschungsgebiet. Dabei werden sowohl die grundlegenden Konzepte der Quantenphysik vorgestellt, die wichtig für die Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie sind, als auch zentrale Experimente, die das Verständnis für die Grundlagen der Quantenphysik nachhaltig beeinflussten. Auf dieser Basis werden dann die wichtigen und faszinierenden Anwendungen wie Quantenkryptographie und Quantenteleportation erläutert. Auch die Prinzipien der Funktionsweise eines Quantencomputers werden vorgestellt und erklärt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Quanteninformation befindet sich heute in aller Munde. Aber als die Quantenphysik zu Beginn des 20. Jahrhunderts gefunden wurde, hat noch niemand sich ausmalen können, welche Folgen sich aus ihr ergeben würden. Selbst noch gegen Ende des 20. Jahrhunderts war eine Entwicklung der Quantentechnologien im gegenwärtigen Ausmaß nicht absehbar. Im 20. Jahrhundert war der Wunsch, die Grundlagen der Quantenphysik zu verstehen, also Grundlagenforschung im reinsten Sinn, die treibende Kraft der Entwicklung. In den letzten Jahren wurden in der Quantenphysik sowohl auf theoretischer wie auf experimenteller Seite gewaltige Fortschritte erzielt. Damit war das Tor zur „zweiten Quantenrevolution“ weit offen. Deren Bedeutung wird durch gewaltige Investitionen in Anwendungen wie Quantenmetrologie, Quantensensorik, Quantenimaging, Quantennetzwerke und Quanteninformatik sichtbar. Gerade die Quanteninformatik findet starke Resonanz in den Medien. Daher möchte dieses Essential Ihnen einen Einblick in die Hintergründe der Quantenphysik geben, so dass Sie Berichte über Themen der Quanteninformatik einordnen können.
Gesche Pospiech

Kapitel 2. Was ist Quanteninformatik?

Zusammenfassung
Die Theorie der Quanteninformationsverarbeitung, oder eigentlich: die Quanteninformatik, ist die interdisziplinäre Verbindung von Quantenphysik und Informatik. Die Quantenphysik liefert die Beschreibung der physikalischen Objekte, die die „Hardware“ der Quanteninformatik bilden. In der Quanteninformatik werden relevante Probleme für Computer identifiziert, deren Lösungsalgorithmen die Quantenphysik so nutzen können, dass eine erhebliche Verkürzung der Rechenzeit möglich wird. In diesem Kapitel werden die quantenphysikalischen Grundlagen, wie Überlagerung, Unbestimmtheit und Verschränkung qualitativ und mathematisch beschrieben. Ganz knapp werden zentrale Begriffe der Informatik erläutert. Ferner wird das Q-Bit eingeführt und es werden prinzipielle Unterschiede von klassischem und Quantencomputer dargestellt.
Gesche Pospiech

Kapitel 3. Zentrale Experimente

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden einige zentrale Experimente vorgestellt, die die Forschung nachhaltig vorangetrieben haben, zum einen, weil sie Klarheit über grundsätzliche Fragen des Verständnisses der Quantenphysik geschaffen haben, zum anderen weil sie die experimentelle Realisierbarkeit von Gedankenexperimenten oder theoretischen Überlegungen gezeigt und damit den Weg zu vertiefter Grundlagenforschung, zu weiteren Anwendungen oder sogar zur kommerziellen Nutzung eröffnet haben. Von zahlreichen Experimenten wurde willkürlich das EPR-Experiment als grundlegend und historisch bedeutsam sowie ein Experiment zum wechselwirkungsfreien Messprozess ausgewählt. Außerdem werden einige einfache Modellexperimente beschrieben, die mit leicht erhältlichen Mitteln Quanteneigenschaften veranschaulichen können.
Gesche Pospiech

Kapitel 4. Anwendungen in der Quanteninformatik

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird gezeigt, wie die Quanteneigenschaften, das Überlagerungsprinzip, die Unbestimmtheit und die Verschränkung, in der Quanteninformatik für die unterschiedlichsten Anwendungen genutzt werden. Es werden die dichte Kodierung von Information, die Quantenkryptographie mit dem BB84 Protokoll und die Quantenteleportation beschrieben. Der Schwerpunkt liegt auf der Erklärung von Quantengattern und Quantenalgorithmen mit dem Beispiel des Deutsch-Algorithmus. Zum Schluss werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, Quantencomputer physikalisch zu realisieren.
Gesche Pospiech

Kapitel 5. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung
In diesem Büchlein wurde ein Einblick in die Grundlagen der Quantenphysik gegeben und gezeigt, wie diese in den modernen Quantentechnologien, oft auch als die 2. Quantenrevolution bezeichnet, zum Tragen kommen. Dabei haben wir uns auf die Quanteninformationsverarbeitung beschränkt, die in den Medien die größte Resonanz erfährt. Jedoch werden auch andere Quantentechnologien in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen.
Gesche Pospiech

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