Einige Tatsachen zur Quantenberechnung

Feb 06, 2020
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Die Neuronennetze sind jetzt auf dem Höhepunkt der Popularität. Sie können Gedichte schreiben, Auto fahren oder euch bei der Auswahl der besten Urlaubsfotos helfen. Außerdem lernen sie auch alleine! Es sieht gut aus, darüber kann man sich nicht streiten. Gleichzeitig wird eine Technologie entwickelt, die die üblichen Prinzipien des Rechnens ändert. Lasst uns herausfinden, was ein Quantencomputer ist, und was damit die Katze zu tun hat.

Was sind die Quantenberechnungen?

Die üblichen Computer werden durch Transistoren betreiben, indem sie als minimale Informationseinheit Bits verwenden. Ein Bit kann eins oder null sein, true oder false. Mit Kombinationen von Bits können wir formale logische Ausdrücke erstellen und Algorithmen beschreiben. Mit ausreichender Menge von Bits kann man fast alles digitalisieren.

In den Quantenberechnungen wird die kleinste Einheit als Qubit bezeichnet. Und der Kernpunkt besteht darin, dass es gleichzeitig null und eins sein kann. Nach dem Prinzip der Überlagerung befindet sich ein Quantenbit auf einmal in allen möglichen Zuständen. Ein Beispiel für eine Überlagerung (d.h. eine Mischung von Zuständen) ist die berühmte Schrödinger-Katze. Bis wir die Kiste öffnen, kann die Katze gleichermaßen am Leben sein (Einheit) oder nicht (Null). Dies ist nicht so einfach nachzuvollziehen, da die Quantenmechanik grundsätzlich eine der am schwierigsten zu erfassenden Abteilungen der Physik ist. Nicht ohne Grund heißt ein seiner Prinzipien die Quantenverschränkung. Die allgemeine Idee ist jedoch, dass wie durch den Wechsel von Bits zu Qubits bestimmte Probleme millionenfach schneller lösen können, indem wir alle möglichen Zustände gleichzeitig verarbeiten und nicht eins nach dem anderen sortieren können. Irgendwelche 50 Qubits reichen aus, um alles zu lösen, was wir solchen Computern bieten können.

Nehmen wir an, jemand musste die Verschlüsselung einer Bank zu hacken. Dazu muss man eine 500-stellige Zahl in Primfaktoren zerlegen. Ein moderner Supercomputer benötigt dafür nur 5 Milliarden Jahre. Aber Qantencomputer findet in Sekunden eine Lösung – und ihr könnt das Geld von Konten abheben. Aber es ist inzwischen nicht so einfach.

Warum ist das wichtig?

Herkömmliche Berechnungen sind vollständig an Siliziumchips gebunden. Mit der Entwicklung der Technologie können wir mehr Transistoren kleinerer Größe auf der gleichen Fläche des Mikroprozessors platzieren. Dieser Indikator beeinflusst die Erhöhung der Rechenleistung bei neuen Prozessoren. Intel-Gründer Gordon Moore formulierte ein nach ihm benanntes Gesetz, nach dem sich die Anzahl der Transistoren etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Aber jetzt nähert sich die Technologie endlich der Grenze von Moore – dem Moment, in dem es physikalisch unmöglich ist, den Transistor kleiner zu machen. Letztendlich beträgt die Größe des Siliziumatoms 0,2 Nanometer, und die neueste Entwicklung des taiwanesischen Chipherstellers TSMC (der beispielsweise mit AMD und Apple zusammenarbeitet) ist ein 7-Nanometer-Prozessor. Es ist auch keine Option, die Prozessoren größer zu machen, um mehr Transistoren einzusetzen, da die Lichtgeschwindigkeit ebenfalls ihre Einschränkungen auferlegt, schneller als die die Daten auf der Mikroschaltung übertragen werden nicht können. Für einige Zeit werden wir uns auf die Erfindung effizienterer Algorithmen und paralleler Berechnungen konzentrieren. Ein Quantencomputer ist jedoch bislang die einzige Möglichkeit, die Erhöhung der Rechenleistung daran zu hindern, eines Tages zu Ende zu sein.

Was wird dafür benötigt?

Die Hauptschwierigkeit ist eigentlich die Erstellung des Qubits selbst und seine Versorgung mit einer garantierten Quantenunbestimmtheit, d.h. absoluten Fehlen des Einflusses externer Faktoren. Denn sobald zumindest etwas den Quantenzustand beeinflusst hat, verschwindet die Überlagerung und das tolle Qubit wird zu einem langweiligen Bit. Inzwischen braucht man viele Experimente, um das perfekte Qubit und die Bedingungen dafür zu finden. Zum Beispiel mit dem Elektronenimpulsmoment der einen oder anderen Substanz bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Oder mit den Ionen in Vakuumfallen. Oder mit der Laborproduktion neuer Materialien, die zu gleicher Zeit sowohl ein Supraleiter als auch ein Ferromagnet sind (eine Substanz, die den Zustand eines Supraleiters bei einer bestimmten Temperatur zerstört). Kurz gesagt, die Arbeit wird fortgesetzt und die Möglichkeit ihres Erfolgs wurde bereits nachgewiesen. Das Ergebnis ist also nur eine Frage der Zeit. Höchstwahrscheinlich wird ein vollwertiger Quantencomputer innerhalb von sieben Jahren auftauchen.

Wo liegt der Hacken?

In der Tat haben viele Unternehmen bereits die Erstellung von Prototypen angekündigt, aber es gibt eine Reihe von Problemen:

1. Sind sie wirklich Quanten? Das Paradox derselben „Katze“ ist, dass sie nicht mehr überlagert ist, sobald wir den Kasten öffnen, um zu sehen, wie es ihr geht. Es ist also unmöglich, den Zustand von Qubits zu überprüfen.

2. Wie kann man sie überprüfen? Tatsächlich ist es mit herkömmlichen Methoden unmöglich herauszufinden, ob das Ergebnis der Quantenberechnung korrekt ist. Es gibt jedoch gewisse Fortschritte. Man kann ein Problem finden, das nur mit den Quantenberechnungen gelöst werden kann, oder Quantencomputern beibringen, sich gegenseitig zu überprüfen. Und noch für Überprüfung die Aufgaben auszuwählen, deren endgültiges Ergebnis wir kennen werden. Zum Beispiel, die Digitalisierung der Struktur unserer DNA-Zellen.

3. Womit kann man den Quantencomputer beschäftigen? Leider sind bisher nicht viele Aufgaben erfunden worden, die Quantenberechnungen erfordern. Es ist jedoch bereits klar, dass sie nicht nur von Mathematik und Physik gestellt werden, sondern auch von Chemie, Biologie, Astronomie und Soziologie. Wenn es also einen Computer gäbe, würde er Arbeit finden.

Wenn ihr herausfinden möchtet, wie dies funktioniert, lenkt eure Aufmerksamkeit auf das Quantum Development Kit, das von Microsoft entwickelt ist. Es enthält einen Emulator der Quantenberechnungen, die speziell für sie erstellte Q # -Sprache und viele Referenzmaterialien. Werft einen Blick auf die Zukunft der Programmierung.

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