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Über dieses Buch

Die Quantenwelt ist längst im Alltag angekommen, ohne dass es vielen bewusst ist. Dazu gehören Transistoren, Dioden und Laser, die aus Alltagsgeräten nicht mehr fortzudenken sind. Nach dieser ersten Generation der Quantentechnologien leben wir derzeit in der zweiten Generation, in der Grundprinzipien der Quantenmechanik gezielt in quantenmechanischen Geräten umgesetzt werden. Dazu gehören erste Prototypen von Quantencomputern, klassische Supercomputer mit Quantensimulation, Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, Quantensensorik und Quantenmesstechnik. Was Einstein 1935 als spukhafter Effekt vorkam, ist längst Grundlage umwälzender Quantenkommunikation in Glasfasernetzen und Satellitentechnik, die ein zukünftiges Quanteninternet ankündigt. Quantencomputer als Mehrzweckrechner sind nur die Spitze des Eisbergs mit einer Technologie, die sich schrittweise als Netzwerk unserer Zivilisation ausbreitet. Umso dringender ist es, die Grundlagen der Quantenwelt als Hintergrund dieser Technologie zu verstehen. Grundlagen und Zusammenhänge begreifen, von den mathematischen und physikalischen Grundlagen bis zu den technischen Anwendungen, ist ein zentrales Ziel des Buchs. Ein weiteres Anliegen dieses Buchs ist das Zusammenwachsen mit der Künstlichen Intelligenz. In meinem Buch „Künstliche Intelligenz. Wann übernehmen die Maschinen?“ (Springer 2. Aufl. 2019) wird Machine learning herausgestellt, das Automatisierung in Robotik, Industrie- und Arbeitswelt verwirklicht. Mit Quantentechnologie, Quantencomputer und künstlicher Intelligenz zeichnet sich aber nicht nur eine Potenzierung neuer Möglichkeiten ab, sondern auch von Gefährdungen. Daher erhebt sich die Forderung nach frühzeitiger Technikgestaltung, damit Quantentechnologie und Künstliche Intelligenz sich als Dienstleistung in der Gesellschaft bewähren.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung
Unsere Welt wird zunehmend durch schnelle Algorithmen gesteuert, die ohne enorme Rechenleistungen von Computern nicht möglich wären. In Zivilisationen mit Milliarden von Menschen lassen sich Logistik und Mobilität, Versorgungs- und Verwaltungsprobleme, Industrie- und Arbeitswelt ohne ihren Einsatz nicht bewältigen. Aber auch um nachhaltige Zukunftsstrategien für Klima, Umwelt, Gesundheit und Medizin zu entwickeln, müssen gewaltige Datenmengen berücksichtigt werden, die ohne die Rechenleistung von Algorithmen und Computer nicht erfasst und bewertet werden können. Die ersten Anwendungen von Algorithmen der Künstlichen Intelligenz sind erst seit einigen Jahren aufgrund der nun erreichten Rechenleistung von Computern möglich.
Klaus Mainzer

2. Was kann ein klassischer Computer?

Zusammenfassung
Wie arbeitet ein Computer? Bei einem Standardcomputer (z. B. Laptop, PC oder Smartphone) ist die technische Hardware für den Benutzer unter vielen Schichten von Bedienungssoftware verborgen. Der Standardaufbau eines Computers orientiert sich an einer nach dem Computerpionier John von Neumann benannten Architektur:
Klaus Mainzer

3. Was weiß die Quantenmechanik?

Zusammenfassung
Am Anfang der Quantenphysik stehen Beobachtungen und Experimente, die mit der klassischen Physik des Alltags nicht erklärt werden können [1]. So sind wir aus dem Alltag gewohnt, klar zwischen dem Verhalten von massiven Objekten wie Bällen und Wellen von Wasser und Schall zu unterscheiden. Schießt man eine Folge von Bällen senkrecht auf zwei Spalten in einer Wand, gruppieren sich die Treffer hinter der Wand auf einem Schirm in zwei getrennten Häufungen entsprechend der Gestalt der beiden Spalten. Sendet man eine Welle auf beide Spalten, beobachtet man hinter der Wand ein Überlagerungs- bzw. Interferenzmuster. Demgegenüber können sich Quantenobjekte wie Elementarteilchen (z. B. Photonen und Elektronen) je nach Versuchsbedingung sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten. Man spricht dann vom Welle-Teilchen Dualismus.
Klaus Mainzer

4. Was ist ein Quantencomputer?

Zusammenfassung
Jedes klassische Computerprogramm lässt sich nach der Churchschen These im Prinzip als Programm einer Turingmaschine verstehen. Jeder universell programmierbare Computer kann danach als universelle Turingmaschine aufgefasst werden. In Kap. 2 führten wir zudem Registermachinen ein, die Turingmaschinen äquivalent sind. Ein Rechnermodell, das die Architektur von technischen Computern berücksichtigt, baut auf Schaltkreisen auf. Die Bauteile von Schaltkreisen sind Gatter, die logische Operationen berechnen, auf die sich berechenbare Funktionen zurückführen lassen. Ähnlich wie in einer Software sind die Gatter in einem Schaltkreis durch Leitungen verbunden. Im Folgenden wird das klassische Schaltkreismodell benutzt, um im Rahmen der Quantenmechanik Quantenschaltkreise mit Quantengattern einzuführen. Wie im klassischen Fall steht das Modell der Quantenschaltkreise der technischen Realisation eines Quantencomputers nahe.
Klaus Mainzer

5. Was können Quantenalgorithmus?

Zusammenfassung
Superposition und Verschränkung eröffnen völlig neue Möglichkeiten für Quantenalgorithmen, die klassischen Algorithmen verschlossen sind. Ein klassischer Computer kann mit seinen klassischen Gattern, wie in Kap. 2 beschrieben wurde, immer nur eine Aufgabe lösen. Sollen mehrere Aufgaben gelöst werden, dann kann das nur hintereinander und nicht gleichzeitig (parallel) geschehen. In klassischen Superrechnern spricht man zwar auch von „Parallelismus“. In diesem Fall werden verschiedene Aufgaben sehr schnell hintereinander durch ein Schaltungsnetz gelöst oder man verwendet getrennte Schaltungsnetze, die gleichzeitig verschiedene Teilaufgaben lösen. Aus technischen Gründen sind aber die Möglichkeiten zum Bau getrennter paralleler klassischer Schaltnetze beschränkt.
Klaus Mainzer

6. Wie sicher ist QuantenkryptografieQuantenkryptografie?

Zusammenfassung
Ein theoretischer Höhepunkt des Quanten Computing war die Einführung des Shor-Algorithmus, der wesentlich auf der Quanten-Fourier-Transformation beruht. Der Shor-Algorithmus beweist nämlich wenigstens theoretisch, wie in der Kryptografie ein bisher nur exponentiell lösbares Problem auf die Klasse der polynomial lösbaren Probleme zurückgeführt werden kann. Seit Jahrhunderten suchen Menschen nach sicherer Informationsübertragung. Politische und militärische Nachrichten, Bank-, Versicherungs- und Wirtschaftsdaten, intime und persönliche Mitteilungen werden verschlüsselt, um sie vor unerwünschten Zugriffen zu schützen. Im Zeitalter der Globalisierung sind alle Informationen elektronisch im Prinzip überall präsent. Die Datensicherheit wird zur empfindlichen Achillesferse der globalen Informationsgesellschaft. Die Auseinandersetzung zwischen denjenigen, die Informationen verschlüsseln, und denjenigen, die sie zu entschlüsseln versuchen, mündet in eine nicht enden wollende Aufrüstungsspirale. Wenn die alten Verschlüsselungsverfahren geknackt sind, werden stärkere entwickelt, die wiederum durch noch stärkere Entschlüsselungsverfahren herausgefordert werden.
Klaus Mainzer

7. Was leistet QuantenkommunikationQuantenkommunikation?

Zusammenfassung
Neben dem Quantencomputer ist die Quantenkommunikation eine zentrale Herausforderung moderner Quantentechnologie. Dabei geht es um die Ausnutzung der Gesetze der Quantenmechanik für die Informationsübertragung. Eine Schlüsselrolle spielen dabei verschränkte Zustände (vgl. Kap. 3), die Informationsträger über große Distanzen verbinden können. Zur Informationsübertragung werden Kanäle benutzt. Ein Quantenkanal transportiert ein Quantenbit von einem Ort zu einem anderen. Technisch kann es sich dabei beispielsweise um eine Glasfaserleitung handeln, die Photonen transportiert. Idealerweise wird davon ausgegangen, dass der Transport von Quantenbits in einem Quantenkanal ungestört ist. Ein klassischer Kanal transportiert klassische Bits durch jede Art der Telekommunikation wie z. B. Telefon.
Klaus Mainzer

8. Was kann klassische Künstliche IntelligenzKünstliche Intelligenzklassische?

Zusammenfassung
Die praktischen Anwendungen des Machine Learning führten zum Hype der Künstlichen Intelligenz. Machine Learning verändert unsere Zivilisation dramatisch. Wir verlassen uns immer mehr auf effiziente Algorithmen, weil die Komplexität unserer zivilisatorischen Infrastruktur sonst nicht zu bewältigen wäre: Unsere Gehirne sind zu langsam und bei den anstehenden Datenmengen hoffnungslos überfordert. Aber wie sicher sind KI-Algorithmen? Bei der praktischen Anwendung beziehen sich Lernalgorithmen auf Modelle neuronaler Netze, die selbst äußerst komplex sind. Sie werden mit riesigen Datenmengen gefüttert und trainiert. Die Anzahl der dazu notwendigen Parameter explodiert exponentiell. Niemand weiß genau, was sich in diesen „Black Boxes“ im Einzelnen abspielt. Es bleibt häufig nur ein statistisches Trial-and-Error Verfahren. Tatsächlich beruht Machine Learning weitgehend auf Algorithmen einer statistischen Lerntheorie, deren Stärken und Schwächen im folgenden Kapitel zunächst gezeigt werden.
Klaus Mainzer

9. Was könnte Quanten-Künstliche Intelligenz?

Zusammenfassung
Mit klassischer Künstlicher Intelligenz (KI) werden in diesem Buch die Methoden der KI-Forschung bezeichnet, die auf klassischen Computern und Kommunikationsnetzen beruhen. Wie häufig bei einem neuen Hype glaubt eine wenig informierte Öffentlichkeit, dass es sich bei der KI um etwas völlig Neues, Spektakuläres oder (wie Soziologen und Politiker gerne sagen) „Disruptives“ handelt. Tatsächlich baut KI häufig auf altbekannte Mathematik auf, die teilweise in die Antike zurückreicht. Immer geht es um Mustererkennung in mehr oder weniger großen Datenmengen.
Klaus Mainzer

10. Vom Quanteninternet zum Quantenuniversum

Zusammenfassung
Neben dem Quantencomputer ist das Quanteninternet eine zukunftsweisende Perspektive der Quantentechnologie. Die Idee liegt auf der Hand: Wie lässt sich das klassische Internet als Instrument globaler Kommunikation mit allen Vorteilen der Quantentechnologie verwirklichen? Die Grundlagen der Quantenkommunikation mit den Möglichkeiten der Quanten-Teleportation wurden bereits in Kap. 7 erläutert. Dabei wurde deutlich, dass die Kommunikation von Quanteninformation keineswegs die Vernetzung von Quantencomputern voraussetzt. Quantenprozessoren können Atome und Elementarteilchen sein. Technisch folgt daraus, dass ein Quanteninternet keineswegs wie in der Entwicklung des klassischen Internets die Entwicklung von ausgereiften Computern voraussetzen muss. Tatsächlich deutet sich bereits an, dass einige technische Versionen eines Quanteninternets früher realisiert werden könnten als der universelle Quantencomputer.
Klaus Mainzer

11. Technische Perspektiven des Quantencomputers

Zusammenfassung
Wie in Kap. 2 gezeigt wurde, baut ein klassischer Computer technisch auf einem Schaltkreismodell mit logischen Gattern auf. Schaltkreise mit logischen Gattern sind äquivalent zu Turingmaschinen. Mit dem Konzept einer universellen Turingmaschine ist damit auch ein universelles Rechnermodell gegeben, das logische Grundlage für die technische Realisation eines klassischen Vielzweck (general purpose) Computers ist. Analog wurde in diesem Buch ein Quantencomputer auf der Grundlage von Quantenschaltkreisen mit Quantengattern eingeführt. Damit soll die Quantenversion eines universellen Vielzweck-Computers möglich werden. Analog zum klassischen Fall ist das Ziel, auf dem universellen Quantencomputer beliebige Quantenalgorithmen realisieren zu können.
Klaus Mainzer

12. Gesellschaftliche Perspektiven der Quantentechnologie

Zusammenfassung
Der Quantencomputer ist nur die Speerspitze eines breiten Spektrums von Quantentechnologien, die Wirtschaft und Gesellschaft umwälzen. Nach der quantenmechanischen Grundlagenforschung seit Anfang des 20. Jahrhunderts folgte seit Ende des 20. Jahrhunderts die Entwicklung technischer Bauteile, die auf Effekten der Quantenphysik beruhen. Dazu gehören Transistoren, Dioden und Laser, die als Quantentechnologien der ersten Generation zusammengefasst werden können und aus Alltagsgeräten nicht mehr fortzudenken sind. Auch der Laser war zunächst ein quantenphysikalisches Grundlagenproblem, das heute wie selbstverständlich in der Mess- und Kommunikationstechnik, industriellen Fertigung, Medizintechnik und Unterhaltungselektronik bis zum 3D-Druck Anwendung findet. Den Quantentechnologien der ersten Generation ist gemeinsam, dass Quanteneffekte nur indirekt genutzt werden
Klaus Mainzer

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