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Über dieses Buch

Anschaulich und auf Beispiele gestützt führt dieses Buch in die Grundlagen des Quantum Computing ein. Alle wesentlichen Ergebnisse werden detailliert und intuitiv dargestellt. Der Leser erfährt, was er von dieser Technologie erwarten kann und wo ihre Grenzen liegen.

Das Besondere an dieser Einführung ist, dass keine speziellen Kenntnisse vorausgesetzt werden. Alle wichtigen Begriffe werden umfassend eingeführt, ein mathematischer Anhang stellt benötigte Grundlagen kurz dar.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Diese Einleitung vermittelt einen ersten Eindruck vom Nutzen der Quantenmechanik für die Informatik. Zur Orientierung geben die Randbemerkungen das Kapitel an, in dem das angesprochene Thema detailliert behandelt wird; wir folgen dabei nicht streng dem Inhaltsverzeichnis.
Matthias Homeister

2. Vom Bit zum Quantenregister

Dieses Kapitel ist das Fundament für alle weiteren. Wir studieren Quantenbits und die Rechenschritte eines Quantencomputers und erfahren, was Messen und Verschränkung bedeuten. Dabei wenden wir diese Begriffe sofort an und lernen die ersten Algorithmen kennen, und zwar für Probleme, bei denen der Quantencomputer klassischen Rechnern überlegen ist. Als klassisch bezeichnen wir alles, was sich verhält, wie wir es aus unserer Alltagswelt gewohnt sind. Davon unterscheiden wir die nichtklassischen Phänomene der Quantenwelt.
Matthias Homeister

3. Vom Quantenregister zum Quantenschaltkreis

Dieses Kapitel legt notwendige Grundlagen für Verständnis und Entwicklung von Quantenverfahren; es enthält aber auch einige überraschende Ergebnisse. Wir beginnen mit einem Schnellkurs „Laufzeitanalyse von Algorithmen“.
Matthias Homeister

4. Hilfsmittel aus der Theoretischen Informatik

Bei welchen Aufgaben sind Quantencomputer klassischen Rechnern überlegen? Gibt es Probleme, die für letztere schwer, für erstere aber einfach sind? Dieses Kapitel führt in aller Kürze in die Komplexitätstheorie ein, die danach fragt, welche Probleme effzient lösbar sind.
Matthias Homeister

5. Teleportation und dichte Kodierung

Unter Teleportation versteht man die Überwindung des Raumes, ohne dass Zeit vergeht oder ein Weg zurückgelegt wird. Ein Teleportationsverfahren ist durch die Serie Raumschiff Enterprise populär geworden. Scotty, beam me up, there is no intelligent life on this planet! ist unter Science Fiction Fans zu einem geflügelten Wort geworden.
Matthias Homeister

6. Suchen

Suchen ist eine menschlichen Grundtätigkeit. Zerstreute Menschen suchen ihren Zimmerschlüssel, alle Menschen suchen (zumindest insgeheim) das Glück. Der Kommissar sucht den Mörder, und in dem 4000 Jahre alten babylonischen Gilgamesch-Epos macht sich die Titelfigur auf die Suche nach der Unsterblichkeit.
Matthias Homeister

7. Geheime Botschaften

Wie kann ich vertraulich kommunizieren und sichergehen, dass nur der Adressat meiner Nachricht Kenntnis von dieser erlangt? Diese Frage lässt sich bis in die Antike zurückverfolgen und spielte insbesondere für das Militär eine wichtige Rolle. Die heutige Welt ist von Datenfernübertragung, Internet und elektronischer Speicherung von persönlichen Daten geprägt. Somit werden Verschlüsselungsmethoden auch für Privatpersonen immer wichtiger.
Matthias Homeister

8. Klassische Verschlüsselungen knacken: Primfaktorzerlegung

In diesem Kapitel lernen wir den berühmtesten Quantenalgorithmus kennen: Shors Verfahren zur Faktorisierung ganzer Zahlen. Bei der Veröffentlichung 1994 handelte es sich um den ersten effzienten Quantenalgorithmus für ein Problem, für das kein effizientes klassisches Verfahren bekannt ist und das zugleich wichtig ist. Mit Shors Algorithmus lässt sich zu einer ganzen Zahl ein Teiler finden.
Matthias Homeister

9. Quantenhardware

Um den Aufbau von Quantenhardware zu verstehen, sind tiefere Kenntnisse der Physik nötig. Darum bleibt dieses Kapitel eher an der Oberfläche: es werden lediglich die Grundkonzepte einiger realisierter Quantencomputer beschrieben.
Matthias Homeister

10. Zur Geschichte der Quantenmechanik

Dieses Buch enthält keine Einführung in die Quantenmechanik und das aus gutem Grund. Aber es wäre unbefriedigend, wenn der Leser sich nach der Lektüre mit Quantenbits und kniffligen Quantenalgorithmen auskennen würde, er aber noch nie vom Planckschen Wirkungsquantum oder der Schrödingerschen Wellengleichung gehört hätte. Darum stellt dieses Kapitel Fragen und Konzepte der Quantenphysik mit Hilfe kurzer Portraits auf populärem Niveau dar.
Matthias Homeister

11. A Mathematische Grundlagen

Dieser Anhang sammelt grundlegende mathematische Begriffe und Aussagen. Der Inhalt der ersten drei Abschnitte ist für den Umgang mit Quantenbits wesentlich. Es geht um komplexe Zahlen, Vektorräume und Matrizen. Abschnitt A.4 beschäftigt sich mit Wahrscheinlichkeitstheorie.
Matthias Homeister

Backmatter

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