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Ein Quantencomputer ist ein Computergerät, das die Phänomene der Quantenüberlagerung und Quantenverschränkung zur Übertragung und Verarbeitung von Daten nutzt. Ein vollwertiger universeller Quantencomputer ist immer noch ein hypothetisches Gerät, dessen Baubarkeit mit der ernsthaften Entwicklung der Quantentheorie im Bereich vieler Teilchen und komplexer Experimente verbunden ist; Entwicklungen in diesem Bereich sind damit verbunden die neuesten Entdeckungen und die Errungenschaften der modernen Physik. An momentan Nur wenige experimentelle Systeme wurden praktisch umgesetzt und führten einen festen Algorithmus geringer Komplexität aus.

Wie die Herausgeber von Science Alert schreiben, konnte eine Gruppe von Spezialisten der Universität Wien den ersten Quantenrouter der Geschichte entwickeln und sogar erste Tests des neuen Geräts durchführen. Dies ist das erste Gerät, das verschränkte Photonen nicht nur empfangen, sondern auch senden kann. Darüber hinaus könnte die im Router verwendete Schaltung die Grundlage für die Schaffung eines Quanteninternets werden.

Wie vor 60 Jahren steht die Menschheit erneut vor einem großen Durchbruch auf dem Gebiet der Computertechnologie. Schon bald werden die heutigen Rechenmaschinen durch Quantencomputer ersetzt.

Wie weit ist der Fortschritt gekommen?

Bereits 1965 sagte Gordon Moore, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einen Silizium-Mikrochip passen, innerhalb eines Jahres verdoppelt. Dieses Tempo des Fortschritts In letzter Zeit hat sich verlangsamt und eine Verdoppelung kommt seltener vor – einmal alle zwei Jahre. Selbst dieses Tempo wird es Transistoren ermöglichen, in naher Zukunft die Größe eines Atoms zu erreichen. Als nächstes kommt eine Grenze, die nicht überschritten werden kann. Aus Sicht der physikalischen Struktur des Transistors kann dieser keinesfalls kleiner als atomare Größen sein. Eine Vergrößerung der Chipgröße löst das Problem nicht. Der Betrieb von Transistoren ist mit der Freisetzung von Wärmeenergie verbunden und Prozessoren benötigen ein hochwertiges Kühlsystem. Auch die Multicore-Architektur löst das Problem des weiteren Wachstums nicht. Der Höhepunkt der Entwicklung moderner Prozessortechnologie wird bald erreicht sein.
Entwickler erkannten dieses Problem zu einer Zeit, als die Benutzer gerade erst anfingen, über Personalcomputer zu verfügen. 1980 formulierte einer der Begründer der Quanteninformationswissenschaft, der sowjetische Professor Juri Manin, die Idee des Quantencomputings. Ein Jahr später schlug Richard Feyman das erste Modell eines Computers mit Quantenprozessor vor. Theoretische Basis Paul Benioff hat formuliert, wie Quantencomputer aussehen sollten.

Wie ein Quantencomputer funktioniert

Um zu verstehen, wie der neue Prozessor funktioniert, müssen Sie zumindest oberflächliche Kenntnisse der Prinzipien der Quantenmechanik haben. Es hat keinen Sinn, hier mathematische Layouts und Formeln anzugeben. Für den Durchschnittsmenschen reicht es aus, sich mit den drei Besonderheiten der Quantenmechanik vertraut zu machen:

Der Zustand oder die Position eines Teilchens lässt sich nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit bestimmen.
Wenn ein Teilchen mehrere Zustände haben kann, dann befindet es sich in allen möglichen Zuständen gleichzeitig. Dies ist das Prinzip der Superposition.
Der Prozess der Zustandsmessung eines Teilchens führt zum Verschwinden der Überlagerung. Charakteristisch ist, dass die durch die Messung gewonnenen Erkenntnisse über den Zustand des Partikels vom tatsächlichen Zustand des Partikels vor der Messung abweichen.

Aus der Sicht des gesunden Menschenverstandes völliger Unsinn. In unserer gewöhnlichen Welt können diese Prinzipien wie folgt dargestellt werden: Die Tür zum Raum ist geschlossen und gleichzeitig offen. Geschlossen und offen zugleich.

Dies ist der auffällige Unterschied zwischen den Berechnungen. Ein herkömmlicher Prozessor arbeitet im Binärcode. Computerbits können nur einen Zustand haben – einen logischen Wert von 0 oder 1. Quantencomputer arbeiten mit Qubits, die gleichzeitig einen logischen Wert von 0, 1, 0 und 1 haben können. Bei der Lösung bestimmter Probleme werden sie gegenüber herkömmlichen Computermaschinen einen Vorsprung von mehreren Millionen Dollar haben. Heute gibt es bereits Dutzende Beschreibungen von Arbeitsalgorithmen. Programmierer erstellen speziellen Programmcode, der nach neuen Berechnungsprinzipien arbeiten kann.

Wo wird der neue Computer eingesetzt?

Ein neuer Ansatz für den Rechenprozess ermöglicht es Ihnen, mit riesigen Datenmengen zu arbeiten und sofortige Rechenoperationen durchzuführen. Mit dem Aufkommen der ersten Computer hegten einige Menschen, darunter auch Regierungsbeamte, große Skepsis hinsichtlich ihres Einsatzes in der Volkswirtschaft. Es gibt auch heute noch Menschen, die voller Zweifel an der Bedeutung von Computern einer grundlegend neuen Generation sind. Lange Zeit weigerten sich Fachzeitschriften, Artikel zum Thema Quantencomputing zu veröffentlichen, da sie diesen Bereich als häufigen betrügerischen Trick zur Täuschung von Investoren betrachteten.

Eine neue Rechenmethode wird die Voraussetzungen für grandiose wissenschaftliche Entdeckungen in allen Branchen schaffen. Die Medizin wird viele lösen problematische Themen, von denen sich in letzter Zeit ziemlich viele angesammelt haben. Eine Diagnostik wird möglich sein Krebserkrankungen in einem früheren Krankheitsstadium als jetzt. Die chemische Industrie wird in der Lage sein, Produkte mit einzigartigen Eigenschaften zu synthetisieren.

Der Durchbruch in der Raumfahrt wird nicht lange auf sich warten lassen. Flüge zu anderen Planeten werden ebenso selbstverständlich sein wie tägliche Fahrten durch die Stadt. Das Potenzial, das im Quantencomputing steckt, wird unseren Planeten sicherlich bis zur Unkenntlichkeit verändern.

Andere Besonderheit, über die Quantencomputer verfügen, ist die Fähigkeit des Quantencomputings, den gewünschten Code oder die gewünschte Chiffre schnell zu finden. Ein gewöhnlicher Computer führt eine mathematische Optimierungslösung nacheinander durch und probiert dabei eine Option nach der anderen aus. Der Quantenkonkurrent arbeitet mit der gesamten Datenmenge auf einmal und wählt blitzschnell und in beispiellos kurzer Zeit die am besten geeigneten Optionen aus. Banktransaktionen werden im Handumdrehen entschlüsselt, was für moderne Computer nicht möglich ist.

Der Bankensektor muss sich jedoch keine Sorgen machen – sein Geheimnis wird durch das Quantenverschlüsselungsverfahren mit einem Messparadoxon gerettet. Wenn Sie versuchen, den Code zu öffnen, wird das übertragene Signal verzerrt. Die erhaltenen Informationen ergeben keinen Sinn. Geheimdienste, für die Spionage eine gängige Praxis ist, interessieren sich für die Möglichkeiten des Quantencomputings.

Designschwierigkeiten

Die Schwierigkeit besteht darin, Bedingungen zu schaffen, unter denen ein Quantenbit auf unbestimmte Zeit in einem Überlagerungszustand verbleiben kann.

Jedes Qubit ist ein Mikroprozessor, der nach den Prinzipien der Supraleitung und den Gesetzen der Quantenmechanik arbeitet.

Rund um die mikroskopischen Elemente einer logischen Maschine werden eine Reihe einzigartiger Bedingungen geschaffen. Umfeld:

Temperatur 0,02 Grad Kelvin (-269,98 Celsius);
Schutzsystem gegen magnetische und elektrische Strahlung (reduziert die Auswirkungen dieser Faktoren um das 50.000-fache);
Wärmeableitungs- und Vibrationsdämpfungssystem;
Die Luftverdünnung ist 100 Milliarden Mal geringer als der Atmosphärendruck.

Eine geringfügige Abweichung in der Umgebung führt dazu, dass die Qubits sofort ihren Überlagerungszustand verlieren, was zu Fehlfunktionen führt.

Dem Rest des Planeten voraus

All dies könnte der Kreativität des fieberhaften Geistes eines Autors von Science-Fiction-Geschichten zugeschrieben werden, wenn Google letztes Jahr nicht zusammen mit der NASA einen D-Wave-Quantencomputer von einem kanadischen Forschungsunternehmen gekauft hätte, dessen Prozessor enthält 512 Qubits.

Mit seiner Hilfe wird der Marktführer im Bereich Computertechnologie Probleme des maschinellen Lernens bei der Sortierung und Analyse großer Datenmengen lösen.

Auch Snowden, der die USA verlassen hat, gab eine wichtige aufschlussreiche Aussage ab: Auch die NSA plant die Entwicklung eines eigenen Quantencomputers.

2014 – der Beginn der Ära der D-Wave-Systeme

Der erfolgreiche kanadische Sportler Geordie Rose begann nach einem Deal mit Google und der NASA mit dem Bau eines 1000-Qubit-Prozessors. Das zukünftige Modell wird den ersten kommerziellen Prototyp in Geschwindigkeit und Rechenvolumen um mindestens das 300.000-fache übertreffen. Der unten abgebildete Quantencomputer ist die weltweit erste kommerzielle Version einer grundlegend neuen Computertechnologie.

Seine Bekanntschaft mit den Arbeiten von Colin Williams zum Quantencomputing an der Universität veranlasste ihn, sich mit der wissenschaftlichen Entwicklung zu befassen. Es muss gesagt werden, dass Williams heute bei Rose's Corporation als Business-Projektmanager arbeitet.

Durchbruch oder wissenschaftlicher Schwindel

Rose selbst weiß nicht genau, was Quantencomputer sind. In zehn Jahren hat sein Team von der Entwicklung eines 2-Qubit-Prozessors zur heutigen ersten kommerziellen Idee geführt.

Von Beginn seiner Forschung an war Rose bestrebt, einen Prozessor mit einer Mindestanzahl von 1.000 Qubits zu entwickeln. Und er musste unbedingt eine kommerzielle Option haben – um zu verkaufen und Geld zu verdienen.

Viele, die Roses Besessenheit und seinen Geschäftssinn kennen, versuchen, ihn der Fälschung zu bezichtigen. Angeblich wird der gewöhnlichste Prozessor als Quantenprozessor ausgegeben. Dies wird auch dadurch erleichtert, dass die neue Technologie bei bestimmten Berechnungsarten eine phänomenale Leistung zeigt. Ansonsten verhält er sich wie ein ganz gewöhnlicher Computer, nur sehr teuer.

Wann werden sie erscheinen?

Es dauert nicht lange. Eine von den gemeinsamen Käufern des Prototyps organisierte Forschungsgruppe wird in naher Zukunft über die Ergebnisse der Forschung zu D-Wave berichten.
Vielleicht kommt bald die Zeit, in der Quantencomputer unser Verständnis der Welt um uns herum revolutionieren werden. Und die gesamte Menschheit wird in diesem Moment eine höhere Stufe ihrer Entwicklung erreichen.

Jeder kann einen Quantencomputer nutzen 14. Mai 2016

Erinnern Sie sich an den jüngsten Vorfall, als Justin Trudeau mit seiner inspirierten Rede während einer scheinbar gewöhnlichen Pressekonferenz den Applaus überraschter Journalisten und Wissenschaftler hervorrief.

Unterdessen begann alles ganz harmlos: Der Premierminister sprach am Perimeter Institute in Waterloo, Ontario, und verkündete die Absicht der Regierung, die Mittel für dieses Forschungszentrum aufzustocken.

Als es Zeit für Fragen aus dem Publikum war, lud einer der Journalisten den Regierungschef ein, das Funktionsprinzip eines Quantencomputers zu erklären.

Justin begann: „Zweifellos sind viele von euch schlauer als ich, aber ich weiß mit Sicherheit, dass ...

Herkömmliche Computer arbeiten nach dem Prinzip von Nullen und Einsen – einem binären System, in dem ein Informationsbit eine Ziffer enthält (1 – es gibt Strom, 0 – keinen Strom), und Quantencomputer sind komplexere Maschinen, die eine viel größere Menge verarbeiten können von Informationen in einem Bit als herkömmliche Computer. Darüber hinaus sind Quantencomputer viel kompakter als ihre herkömmlichen Pendants.“

Er fasste weiter zusammen: „So werden Informationen in herkömmlichen Computern in Bits gespeichert, und in Quantencomputern werden Informationen in Qubits gespeichert.“ Qubits scheinen sich gleichzeitig in zwei Zuständen zu befinden: Sie können gleichzeitig eine Null und eine Eins enthalten, wodurch ein Quantencomputer theoretisch schneller arbeiten kann.“

Nachdem er seine Geschichte über die Funktionsweise eines Quantencomputers beendet hatte, spendete ihm das Publikum stehende Ovationen.

Was wissen wir heute über das Thema Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist ein Computergerät, das auf den Prinzipien der Quantenmechanik arbeitet, die zu Recht als der komplexeste Zweig der Physik bezeichnet werden kann. Die Quantenmechanik entstand zu Beginn des 20. Jahrhunderts und untersucht das Verhalten von Quantensystemen und ihren Elementen. Ein Quantenteilchen kann sich per Definition gleichzeitig an mehreren Orten und Zuständen befinden Quantenmechanik widerspricht völlig der allgemeinen Relativitätstheorie. Aber lassen Sie uns nicht in die Wissenschaft eintauchen, sondern zu unserer zurückkehren Hauptthema- Quantencomputer.

Zu Beginn des Jahrhunderts wurde klar, dass die Verwendung elektrischer Schaltkreise zur Herstellung von Computergeräten ihre Grenzen hat und diese praktisch alle erreicht wurden. Jetzt steht die Menschheit vor immer neuen Problemen, für deren Lösung klassische Computer nicht ausreichen werden. Das einfachste Beispiel für ein solches Problem ist die Faktorisierung großer Zahlen. Die meisten kryptografischen Systeme wurden zu diesem Zweck gebaut. Das mag trivial erscheinen, aber wenn es jemandem gelingt, schnell eine große Zahl in Primfaktoren zu faktorisieren, stehen ihm Transaktionen in allen Banken der Welt zur Verfügung.

Eine weitere ebenso wichtige Aufgabe, die moderne Computer niemals bewältigen können, ist die Modellierung von Quantensystemen und DNA-Molekülen. Daraus können wir schließen, dass die Schaffung von Quantencomputern eine vielversprechende Lösung ist, die diese und viele andere Probleme lösen wird.

Derzeit versucht IBM etwas Ähnliches: Das Unternehmen macht die Öffentlichkeit auf sein Projekt aufmerksam, weil seine Spezialisten ein Computergerät und eine höhere Programmiersprache für diesen Computertyp entwickeln. Sie laden alle ein, sich an ihrer Arbeit zu beteiligen.

Das Unternehmen kündigte die Einführung des ersten Cloud-Dienstes an, der auf einem experimentellen Quantenprozessor basiert. Die neue Plattform heißt Quantum Experience.

Es wird davon ausgegangen, dass jeder den Online-Dienst nutzen kann: Studenten, Amateur-Enthusiasten und sogar ernsthafte Wissenschaftler. Um Zugriff auf die Cloud zu erhalten, müssen Sie derzeit einen Antrag stellen und eine Genehmigung einholen (diese ist möglicherweise noch nicht erteilt!). Erst nach Erhalt der Freigabe können Benutzer Algorithmen und Tests ausführen. Kurz gesagt: Arbeiten Sie mit Qubits.

Ziel des Quantum Experience-Programms ist es, die Fähigkeiten der auf einem 5-Qubit-Prozessor basierenden Plattform genauer zu untersuchen und nach neuen Möglichkeiten zur Nutzung des Quantencomputings zu suchen. Im Wesentlichen stellt das Unternehmen das Werkzeug und die Fähigkeiten zur Verfügung und der Benutzer bestimmt, wie er sie nutzt.

„Erstens handelt es sich hierbei um ein Forschungsprogramm, aber wir schließen nicht aus, dass es die Grundlage für die Schaffung eines funktionierenden Quantencomputers bilden könnte.“ – Jerry M. Chow, Leiter der Experimental Quantum Computer Development Group am Forschungszentrum. Thomas Watson (Experimental Quantum Computing Group am IBM Thomas J. Watson Research Center).

Derzeit besteht der Computer des New Yorker Forschungszentrums aus fünf Qubits, also Quantenbits. Laut IBM-Experten ist diese „Maschine“ jedoch noch nicht in der Lage, herkömmliche Computer zu ersetzen.

Gleichzeitig glauben sie, dass sie eines Tages in der Lage sein werden, einen 100-Qubit-Quantenprozessor zu entwickeln, der in der Lage sein wird, eine breite Palette von Algorithmen zu verarbeiten, um nahezu jedes Computerproblem zu lösen.

Die elementare Basis eines bei IBM entwickelten Quantencomputers sind Rechenelemente (Qubits), die aus einem Material bestehen, das bei einer Temperatur nahe 0 °C supraleitend ist.

Darüber hinaus haben die IBM-Ingenieure wahrscheinlich einen Weg gefunden, das in ihrem Gerät verwendete Quantensystem von äußeren Einflüssen zu isolieren, da es für einen ausreichend langen Zeitraum notwendig ist, einen Zustand der Quantenkohärenz aufrechtzuerhalten, ohne seinen Quantenzustand (Kohärenz) unkontrolliert zu ändern eine Eigenschaft von Computersystemen, bei denen zwei oder mehr Prozessoren oder Kerne Zugriff auf einen gemeinsamen Speicherbereich haben).

Warum ist das alles nötig?

Möglicherweise haben Sie eine berechtigte Frage: Wozu dient das alles? Tatsache ist, dass, wie einige Experten glauben, die Verwendung eines Quantenregisters zur Durchführung von Berechnungen den Datenverarbeitungsprozess im Vergleich zu einem herkömmlichen Register erheblich beschleunigen wird.

Daher ist die physikalische Umsetzung dieses Konzepts, also der Aufbau eines Quantencomputers in Form eines realen physikalischen Geräts, eine grundlegende Aufgabe der modernen Physik.

Der Bedarf an einem Quantencomputer ergibt sich auch aus der Notwendigkeit, mit physikalischen Methoden komplexe Mehrteilchensysteme, beispielsweise biologische, zu erforschen.

Was die Ziele von IBM betrifft, so brauchen sie diese, um im Kampf gegen Konkurrenten auf dem Markt für innovative Technologien nicht die Initiative zu verlieren. Laut Unternehmensvertretern werden sie daher im Laufe der Zeit interaktive Online-Tutorials veröffentlichen, um potenziellen Kunden zu helfen, zu verstehen, wie sich ein Quantensystem von einem binären System unterscheidet.

Was ist ein Quantencomputer?

Eines der ersten Modelle eines Quantencomputers wurde 1981 von Richard Feynman vorgeschlagen.

Das Funktionsprinzip eines Quantencomputers: Ein Rechengerät nutzt die Phänomene der Quantenüberlagerung und Quantenverschränkung zur Übertragung und Verarbeitung von Daten, und sein Register basiert auf der Verwendung eines Qubits (Quantenbits) – dem kleinsten Bit oder kleinsten Element zum Speichern Informationen in einem Quantencomputer.

Wenn sich ein klassischer Prozessor zu jedem Zeitpunkt in genau einem der Zustände befinden kann, befindet sich ein Quantenprozessor zu jedem Zeitpunkt gleichzeitig in allen Grundzuständen. Dieser Quantenzustand wird „Quantenüberlagerung von Daten“ genannt.

Quantenüberlagerung lässt sich beispielsweise so veranschaulichen: „Stellen Sie sich ein Atom vor, das in einem bestimmten Zeitraum radioaktiv zerfallen könnte oder nicht.“ Wir können davon ausgehen, dass dieses Atom nur zwei mögliche Zustände hat: „Zerfall“ und „Nicht-Zerfall“, aber in der Quantenmechanik kann ein Atom eine Art einheitlichen Zustand haben – „Zerfall“ – „Nicht-Zerfall“, also keinen von beiden anders, aber wie dazwischen. Dieser Zustand wird Superposition genannt.“

Quantencomputerarchitektur

Jedes klassische Zweiebenensystem, wie ein Quantensystem, hat einen Grundzustand (0) und einen Nichtgrundzustand (1). Ein Beispiel für ein klassisches Zwei-Ebenen-System ist ein aus der Mikroelektronik bekannter Inverter, der die „NOT“-Operation ausführt: Je nachdem, ob diese Zustände mit Wahrscheinlichkeiten besetzt sind, erhält man die logischen Zustände „0“ oder „1“.

Herkömmliche Computer arbeiten also nach dem Prinzip von Nullen und Einsen – einem binären (binären) System, in dem ein Informationsbit eine Ziffer enthält (1 – es gibt Strom, 0 – kein Strom), und Quantencomputer sind komplexere Maschinen, die dazu in der Lage sind verarbeiten ein viel größeres Informationsvolumen pro Bit als herkömmliche Computer.

Der Satz von Quantengeräten, die zum Aufbau von Quanteninformationssystemen verwendet werden, kann als Quantenelementarbasis bezeichnet werden, d. h. Computer.

Ich stelle fest, dass im Vergleich zu Quantenprozessoren die elementare Basis moderner Informationssysteme auf Lampen, Transistoren und Fotozellen basiert, die klassisch sind, in dem Sinne, dass ihre Parameter (Strom, Spannung, Strahlung) klassische Größen (Werte von) sind klassische Mechanik).

Die klassische Mechanik ist gut darin, Systeme im makroskopischen Maßstab zu beschreiben (womit herkömmliche Prozessoren „zurechtkommen“), ist jedoch nicht in der Lage, alle Phänomene auf der Ebene von Molekülen, Atomen, Elektronen und Photonen zu beschreiben.

Gleichzeitig beschreibt die Quantenmechanik angemessen die grundlegenden Eigenschaften und das Verhalten von Atomen, Ionen, Molekülen, kondensierter Materie und anderen Systemen mit einer Elektronen-Kern-Struktur, deren „Verhalten“ die „treibende Kraft“ eines Quantenprozessors ist.

Fehlerkorrektur ist das Hauptproblem von Quantencomputern

Fehler in Quantencomputern lassen sich in zwei Hauptebenen einteilen. Fehler der Stufe 1 treten bei allen Computern auf, auch bei klassischen. Zu diesen Fehlern gehören unfreiwillige Veränderungen von Qubits aufgrund von externem Rauschen (zum Beispiel: kosmische Strahlung oder Strahlung). Spezialisten von Google ist es kürzlich gelungen, dieses Problem zu lösen. Um dieses Problem zu lösen, hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Julian Kelly einen speziellen Quantenschaltkreis aus neun Qubits entwickelt, der nach Fehlern im System sucht. Die verbleibenden Qubits sind für die Speicherung von Informationen verantwortlich und bewahren diese somit länger als bei Verwendung eines einzelnen Qubits. Das Hauptproblem ist jedoch nicht verschwunden; die zweite Fehlerebene bleibt bestehen.

Qubits sind von Natur aus instabil; sie vergessen sofort die Informationen, die Sie auf einem Quantencomputer speichern möchten. Wenn ein Qubit der Umgebung ausgesetzt wird, wird die Verbindung innerhalb des Quantensystems gestört (Dekohärenzprozess). Um dies zu verhindern, muss der Quantenprozessor so weit wie möglich vom Einfluss äußerer Faktoren isoliert werden. Wie kann man das machen? – bleibt vorerst ein Rätsel. Laut Experten werden 99 % der Leistung eines solchen Computers für die Fehlerkorrektur aufgewendet, und nur 1 % reicht aus, um etwaige Probleme zu lösen. Natürlich können Fehler nicht vollständig beseitigt werden, aber wenn sie auf ein bestimmtes Maß minimiert werden, wird ein Quantencomputer funktionieren.

Wer arbeitet noch in dieser Richtung?

Die IBM-Plattform ist nicht der erste Quantencomputer, der online für jedermann verfügbar ist. Deshalb hat Google vor weniger als einem Jahr ein eigenes Labor gegründet, das einen Quantencomputer auf Basis von Supraleitern entwickelt. Das Zwischenergebnis der Arbeit seiner Spezialisten war die Schaffung des Onlinedienstes „Quantum Computing Playground“, der ein Analogon zur IBM Cloud darstellt.

Quellen

MOSKAU, 12. September- RIA-Nachrichten. Nur wenige Wissenschaftsbereiche können von sich behaupten, so heiß umkämpft zu sein wie die Quanteninformationswissenschaft. Einige Wissenschaftler forschen aktiv und schlagen neue Lösungen vor, andere versuchen beharrlich, Mängel zu finden und beweisen die Unmöglichkeit der Existenz universeller Quantencomputer. Der Nachteil moderner PCs liegt auf der Hand: Früher oder später wird die minimal mögliche Größe eines klassischen Transistors erreicht und der Fortschritt wird dort aufhören.

Die Basis solcher Computer ist ein Bit, ein Objekt, das sich in zwei sich gegenseitig ausschließenden Zuständen befinden kann: entweder „0“ oder „1“. Abhängig von der Spannung des Halbleitertransistors kann sich ein Bit ändern: Ist sie größer als ein bestimmter Wert, ist der Bitzustand logisch „1“, ist er kleiner, dann logisch „0“. Der Computerspeicher besteht aus einer Reihe von Bits, und alle Berechnungen sind spezifische Operationen, die den Zustand der Bits ändern.

Ein Quantencomputer nutzt eine grundlegend andere Berechnungsmethode auf Basis von Qubits. Im Gegensatz zu Bits können sie gleichzeitig zwei logische Zustände einnehmen.

Dieser Zustand eines Quantensystems wird Superposition genannt.
Durch die Implementierung erhöht sich die Rechenleistung von Quantencomputern gegenüber der klassischen Transistorschaltung mehr Operationen pro Zeiteinheit.

Für die technische Grundlage zur Erzeugung von Qubits gibt es viele Möglichkeiten. Die erste Option sind mikroskopisch kleine supraleitende Ringe, bei denen der logische Zustand von der Richtung des Stroms entlang des Rings abhängt (der Strom in einem solchen System kann gleichzeitig sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn fließen). Die zweite Möglichkeit besteht darin, Atome auf eine Temperatur von mehreren Kelvin abzukühlen („0“ und „1“ sind unterschiedliche Energiezustände der Atome). Der dritte sind Ionenfallen.

Die Anzahl der Qubits ist nur ein Merkmal eines Quantencomputers. Es gibt viele weitere Parameter: Wie lange können Qubits existieren, wie einfach sind sie zu kontrollieren, sind die Ergebnisse von Berechnungen reproduzierbar, lässt sich das System auf große Größen skalieren?

Der 51-Qubit-Computer in Harvard ist nur in der Lage, ein Problem zu lösen: die Untersuchung bestimmter Phänomene in einem Quanten-Vielteilchenmodell. Um ein anderes Problem zu lösen, müssen Sie es erheblich ändern. Die maximale Anzahl von Qubits, die verwendet werden können, um einen umprogrammierbaren Quantencomputer zu bauen, der in der Lage ist, verschiedene Probleme zu lösen, liegt derzeit bei 16. Das Unternehmen, das ihn entwickelt hat, IBM, gab an, dass der Computer von seinen Benutzern bereits 300.000 Experimente mit Quantencomputern durchgeführt habe Nutzung von Cloud-Diensten.

Die Vorhersagen von Skeptikern, die glauben, dass ein Quantencomputer überhaupt nicht funktionieren wird, haben sich also nicht bewahrheitet. Natürlich sind bestehende Systeme noch nicht universell, das heißt, sie sind in der Lage, jedes Problem zu lösen und bei einer Reihe von Problemen eine Beschleunigung zu demonstrieren, die dank Quanteneffekten für klassische Computer nicht zugänglich ist.

Doch trotz der Begeisterung der Anhänger von Quantencomputern haben letztere ihre Schwächen. Erstens sind Quantenzustände so fragil, dass jede Störung (die den Zustand des Systems misst) zur Zerstörung des Zustands führen kann. Daher steht die Zuverlässigkeit der Berechnungen in Frage und es ist erforderlich, separate Systeme zusammenzustellen, um deren Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Der zweite Nachteil ist die Möglichkeit eines Informationsverlusts.

Wenn sich zwei (oder mehrere) Qubits in identischen Quantenzuständen befinden, tendiert die Wahrscheinlichkeit, ein bisschen Information zu verlieren, gegen Null. Andernfalls kommt es jedoch bei verschiedenen Quantenzuständen zu Wechselwirkungen zwischen ihnen, was zum Verlust eines Bits führt. Es ist sehr schwierig, ein großes Quantensystem zu schaffen, dessen Elemente gut genug miteinander interagieren und gleichzeitig ausreichend vor der Umgebung geschützt sind, die die Überlagerung von Qubits zerstören kann.

Forscher geben das zu dieser Moment Ein Quantencomputer ist nicht für den Durchschnittsbenutzer geeignet. Und wird der Preis von Quantencomputern für den Heimgebrauch gerechtfertigt sein? Wird seine Rechenleistung benötigt, um Filme anzusehen und das Internet zu unterstützen?

Sicherlich werden Quantencomputer die aktuellen Supercomputer in Forschungslaboren ersetzen und für die Modellierung komplexer physikalischer Prozesse unverzichtbar werden. Aber werden sie den PC in unserem Zuhause ersetzen und ist dieser Ersatz gerechtfertigt? Wir können davon ausgehen, dass wir Hybride aus Quanten- und klassischen Computern in unseren Häusern haben werden, aber niemand kann jetzt genau sagen, wie das passieren wird.

„Ich glaube, dass die Schaffung eines Quantencomputers die Geschichte der Menschheit in zwei Epochen teilen wird: Vorher und nachher hat Russland die Möglichkeit, mit den technologisch fortschrittlichsten Ländern im Quantenwettlauf zu konkurrieren.“ Der Computer wird nicht nur zu einem kolossalen Technologiesprung führen, sondern auch Antworten auf grundlegende Fragen geben. Und sie kommt schneller näher, als es scheint“, kommentiert Alexey Fedorov, ein Forscher am russischen Quantum Center.

Über Quantencomputing wird zumindest theoretisch schon seit Jahrzehnten gesprochen. Moderne Typen Maschinen, die nichtklassische Mechanik nutzen, um potenziell unvorstellbare Datenmengen zu verarbeiten, waren ein großer Durchbruch. Nach Angaben der Entwickler erwies sich ihre Implementierung als die vielleicht komplexeste Technologie, die jemals geschaffen wurde. Quantenprozessoren arbeiten auf Materieebenen, die die Menschheit erst vor etwa 100 Jahren kennengelernt hat. Das Potenzial einer solchen Datenverarbeitung ist enorm. Die Nutzung der bizarren Eigenschaften von Quanten wird die Berechnungen beschleunigen und so viele Probleme lösen, die derzeit über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen. Und das nicht nur im Bereich Chemie und Materialwissenschaften. Auch die Wall Street ist interessiert.

In die Zukunft investieren

Die CME Group hat in 1QB Information Technologies Inc. mit Sitz in Vancouver investiert, das Software für Quantenprozessoren entwickelt. Nach Einschätzung von Anlegern dürften solche Berechnungen Auswirkungen haben größten Einfluss für Branchen, die mit großen Mengen zeitkritischer Daten arbeiten. Ein Beispiel für solche Verbraucher sind Finanzinstitute. Goldman Sachs investierte in D-Wave Systems und In-Q-Tel wird von der CIA finanziert. Die erste produziert Maschinen, die das sogenannte „Quantum Annealing“ durchführen, d. h. Optimierungsprobleme auf niedriger Ebene mithilfe eines Quantenprozessors lösen. Auch Intel investiert in diese Technologie, hält deren Umsetzung allerdings für Zukunftssache.

Warum ist das notwendig?

Der Grund, warum Quantencomputing so spannend ist, liegt in seiner perfekten Kombination mit maschinellem Lernen. Dies ist derzeit die Hauptanwendung für solche Berechnungen. Ein Teil der Idee eines Quantencomputers besteht darin, ein physisches Gerät zu verwenden, um Lösungen zu finden. Manchmal wird dieses Konzept am Beispiel des Spiels Angry Birds erläutert. Um die Schwerkraft und die Interaktion kollidierender Objekte zu simulieren, nutzt die CPU des Tablets mathematische Gleichungen. Quantenprozessoren stellen diesen Ansatz auf den Kopf. Sie „werfen“ ein paar Vögel und schauen, was passiert. Vögel werden auf einem Mikrochip erfasst, sie werden geworfen, was ist die optimale Flugbahn? Dann werden alle möglichen Lösungen oder zumindest eine sehr große Kombination davon getestet und eine Antwort zurückgegeben. In einem Quantencomputer gibt es keinen Mathematiker, stattdessen wirken die Gesetze der Physik.

Wie funktioniert es?

Die Grundbausteine unserer Welt sind quantenmechanisch. Wenn Sie sich Moleküle ansehen, ist der Grund dafür, dass sie sich bilden und stabil bleiben, die Wechselwirkung ihrer Elektronenorbitale. Alle quantenmechanischen Berechnungen sind in jedem von ihnen enthalten. Ihre Zahl wächst exponentiell mit der Anzahl der simulierten Elektronen. Beispielsweise gibt es für 50 Elektronen 2 hoch 50 mögliche Optionen. Das ist phänomenal, daher ist es heute unmöglich, es zu berechnen. Die Verbindung der Informationstheorie mit der Physik kann den Weg zur Lösung solcher Probleme weisen. Ein 50-Qubit-Computer kann dies tun.

Beginn einer neuen Ära

Laut Landon Downs, Präsident und Mitbegründer von 1QBit, ist ein Quantenprozessor die Fähigkeit, die Rechenleistung der subatomaren Welt zu nutzen großer Wert um neue Materialien zu beschaffen oder neue Medikamente herzustellen. Es gibt einen Übergang vom Entdeckungsparadigma zum neue Ära Design. Mit Quantencomputing lassen sich beispielsweise Katalysatoren modellieren, die der Atmosphäre Kohlenstoff und Stickstoff entziehen und so dazu beitragen, die globale Erwärmung zu stoppen.

An der Spitze des Fortschritts

Die Technologieentwicklungs-Community ist äußerst aufgeregt und aktiv. Teams auf der ganzen Welt in Start-ups, Unternehmen, Universitäten und Regierungslabors wetteifern darum, Maschinen zu bauen, die unterschiedliche Ansätze zur Verarbeitung von Quanteninformationen nutzen. Supraleitende Qubit-Chips und Qubits mit eingefangenen Ionen wurden von Forschern der University of Maryland und des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology entwickelt. Microsoft entwickelt einen topologischen Ansatz namens Station Q, der darauf abzielt, ein nicht-Abelsches Anion auszunutzen, dessen Existenz noch nicht schlüssig nachgewiesen wurde.

Das Jahr eines möglichen Durchbruchs

Und das ist erst der Anfang. Mit Stand Ende Mai 2017 liegt die Zahl der Quantenprozessoren, die eindeutig etwas schneller oder besser können als ein klassischer Computer, bei Null. Ein solches Ereignis würde die „Quantenüberlegenheit“ begründen, ist aber noch nicht eingetreten. Obwohl es wahrscheinlich ist, dass dies in diesem Jahr passieren könnte. Die meisten Insider sagen, der klare Favorit sei das Google-Team unter der Leitung von John Martini, Physikprofessor an der UC Santa Barbara. Ziel ist es, mithilfe eines 49-Qubit-Prozessors Rechenüberlegenheit zu erreichen. Bis Ende Mai 2017 hatte das Team erfolgreich einen 22-Qubit-Chip als Zwischenschritt zur Demontage eines klassischen Supercomputers getestet.

Wo hat alles angefangen?

Die Idee, die Quantenmechanik zur Informationsverarbeitung zu nutzen, gibt es schon seit Jahrzehnten. Einer von Schlüsselereignisse fand 1981 statt, als IBM und das MIT gemeinsam eine Konferenz über die Physik des Rechnens organisierten. Der berühmte Physiker schlug den Bau eines Quantencomputers vor. Ihm zufolge sollte die Quantenmechanik zur Modellierung herangezogen werden. Und das ist eine großartige Aufgabe, weil es nicht so einfach aussieht. Das Funktionsprinzip des Quantenprozessors basiert auf mehreren seltsamen Eigenschaften von Atomen – Überlagerung und Verschränkung. Ein Teilchen kann sich gleichzeitig in zwei Zuständen befinden. Bei der Messung erscheint es jedoch nur in einem von ihnen. Und es ist unmöglich, vorherzusagen, um welches es sich handelt, außer aus der Perspektive der Wahrscheinlichkeitstheorie. Dieser Effekt ist die Grundlage des Gedankenexperiments von Schrödingers Katze, die sowohl lebendig als auch tot in einer Kiste ist, bis ein Beobachter einen heimlichen Blick darauf wirft. Nichts in Alltagsleben funktioniert so nicht. Etwa eine Million seit Beginn des 20. Jahrhunderts durchgeführte Experimente zeigen jedoch, dass es tatsächlich eine Überlagerung gibt. Und der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, wie man dieses Konzept nutzen kann.

Quantenprozessor: Stellenbeschreibung

Klassische Bits können den Wert 0 oder 1 annehmen. Wenn man ihre Zeichenfolge durch „logische Gatter“ (UND, ODER, NICHT usw.) leitet, kann man Zahlen multiplizieren, Bilder zeichnen usw. Ein Qubit kann die Werte 0, 1 oder beide gleichzeitig. Wenn beispielsweise zwei Qubits verschränkt sind, sind sie perfekt korreliert. Ein Quantenprozessor kann Logikgatter verwenden. T.n. Das Hadamard-Gatter beispielsweise versetzt das Qubit in einen Zustand perfekter Überlagerung. Wenn Überlagerung und Verschränkung mit geschickt platzierten Quantengattern kombiniert werden, beginnt sich das Potenzial des subatomaren Rechnens zu entfalten. Mit 2 Qubits können Sie 4 Zustände erkunden: 00, 01, 10 und 11. Das Funktionsprinzip eines Quantenprozessors besteht darin, dass die Ausführung einer logischen Operation es ermöglicht, mit allen Positionen gleichzeitig zu arbeiten. Und die Anzahl der verfügbaren Zustände beträgt 2 hoch der Anzahl der Qubits. Wenn Sie also einen universellen Quantencomputer mit 50 Qubits bauen würden, könnten Sie theoretisch alle 1,125 Billiarden Kombinationen auf einmal erkunden.

Kudits

Etwas anders wird der Quantenprozessor in Russland gesehen. Wissenschaftler des MIPT und des Russian Quantum Center haben „Qudits“ geschaffen, bei denen es sich um mehrere „virtuelle“ Qubits mit unterschiedlichen „Energie“-Niveaus handelt.

Amplituden

Ein Quantenprozessor hat den Vorteil, dass die Quantenmechanik auf Amplituden basiert. Amplituden ähneln der Wahrscheinlichkeit, können aber auch negative und komplexe Zahlen sein. Wenn Sie also die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses berechnen müssen, können Sie die Amplituden aller möglichen Optionen für deren Entwicklung addieren. Die Idee hinter dem Quantencomputing besteht darin, zu versuchen, es so abzustimmen, dass einige Pfade zu falschen Antworten eine positive Amplitude und andere eine negative Amplitude haben, sodass sie sich gegenseitig aufheben. Und die Pfade, die zur richtigen Antwort führen, hätten Amplituden, die miteinander in Phase sind. Der Trick besteht darin, alles zu organisieren, ohne vorher zu wissen, welche Antwort richtig ist. Daher ist die exponentielle Natur der Quantenzustände in Kombination mit der Möglichkeit einer Interferenz zwischen positiven und negativen Amplituden ein Vorteil dieser Art der Berechnung.

Shors Algorithmus

Es gibt viele Probleme, die ein Computer nicht lösen kann. Zum Beispiel Verschlüsselung. Das Problem besteht darin, dass es nicht einfach ist, Primfaktoren einer 200-stelligen Zahl zu finden. Selbst wenn auf Ihrem Laptop eine großartige Software läuft, müssen Sie möglicherweise Jahre warten, bis Sie die Antwort finden. Ein weiterer Meilenstein im Quantencomputing war also ein Algorithmus, der 1994 von Peter Shor, heute Professor für Mathematik am MIT, veröffentlicht wurde. Seine Methode besteht darin, die Multiplikatoren zu finden große Zahl mit einem Quantencomputer, den es noch nicht gab. Im Wesentlichen führt der Algorithmus Operationen aus, die auf Bereiche mit der richtigen Antwort verweisen. IN nächstes Jahr Shor entdeckte eine Methode zur Quantenfehlerkorrektur. Dann erkannten viele, dass dies eine alternative Art der Berechnung war, die in manchen Fällen leistungsfähiger sein könnte. Dann wuchs das Interesse der Physiker an der Schaffung von Qubits und logischen Gattern zwischen ihnen. Und jetzt, zwei Jahrzehnte später, steht die Menschheit kurz davor, einen vollwertigen Quantencomputer zu entwickeln.