Die Ära der Quantencomputer

Jul 04, 2021 — Beyond Majic
Die Ära der Quantencomputer

Dr. Parshotam S. Manhas

Menschen haben sich immer darauf konzentriert, das Leben in allen Bereichen zu verbessern, und die Rolle der Technologie ist unvermeidlich geworden.

Die erste Revolution „Quantum 1.0“ hat zu allgegenwärtigen Erfindungen wie Lasern und Halbleitertransistoren geführt. Die zweite Revolution mit dem Namen 'Quantum 2.0' ist derzeit im Gange mit dem Ziel, die Eigenschaften der Quantenmechanik in die Computerwelt zu übertragen. Quantencomputing ist eine sich entwickelnde Computertechnologie, die auf den Prinzipien quantenmechanischer Phänomene wie Überlagerung und Verschränkung basiert, um Berechnungen durchzuführen, und die Geräte, die solche Berechnungen ausführen, werden als Quantencomputer bezeichnet. Es wird angenommen, dass Quantencomputer in der Lage sind, bestimmte Rechenprobleme, wie etwa die Faktorisierung ganzer Zahlen, außerordentlich schneller zu lösen als klassische Computer.

Klassische Computer können Informationen nur in Bits von Einsen oder Nullen codieren. Quantencomputer verwenden Quantenbits oder Qubits, die Elektronen oder Photonen darstellen und entweder 0 oder 1 oder eine Überlagerung von 0 und 1 sein können, wodurch die Datenverarbeitungszeit verkürzt wird. Diese Überlagerung von Qubits verleiht Quantencomputern ihre inhärente Parallelität. Verschränkung hingegen ist eine starke Korrelation zwischen Quantenteilchen und kann Paare von Qubits erzeugen, die in einzelnen Quantenzuständen existieren. Das Ändern des Zustands eines der Qubits in einem Paar ändert sofort den Zustand des anderen auf vorhersehbare Weise, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Im Wesentlichen, entspräche ein 30-Qubit-Quantencomputer der Rechenleistung eines herkömmlichen Computers, der mit 10 Teraflops (Billionen Gleitkommaoperationen pro Sekunde) laufen könnte. Heutige typische Desktop-Computer laufen mit Geschwindigkeiten, die in Gigaflops (Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde) gemessen werden. Täglich werden über 2,5 Exabyte an Daten produziert, was dem Inhalt von 5 Millionen Laptops entspricht. Quantencomputer werden es ermöglichen, die großen Datenmengen zu verarbeiten, die in der heutigen Zeit entstehen.

Quantencomputer gewinnen aufgrund der enormen Leistungsfähigkeit, die kontraintuitive Physik subatomarer Skalen zu nutzen, zunehmend an Aufmerksamkeit. Einen Quantencomputer so schnell wie möglich online zu bringen, ist das ultimative Ziel der großen Branchenführer, auch wenn sie sich aus unterschiedlichen Perspektiven nähern.

Heute haben sich Quantencomputer zu Prozessoren wie dem Anfang 2019 vorgestellten ersten kommerziellen 20-Qubit-Quantencomputer von IBM, dem IBM Q System One, entwickelt, und IBMs neue leistungsstärkste Maschine mit 53 Qubit wird Forschern und Unternehmen zur Verfügung stehen Anwendungen über die Cloud ausführen. Amazon Web Services hat einen Quantencomputing-Dienst namens Braket hinzugefügt. Das Startup Rigetti Computing hat eine 32-Qubit-Maschine vorgestellt und plant einen 128-Qubit-Quantencomputer. Google hat ein 72-Qubit-Gerät, aber es hat Außenstehende keine Programme darauf ausführen lassen.

Am 23. Oktober 2019 gab Google bekannt, dass es "Quantum Supremacy" erreicht hat, was bedeutet, dass es einen 54-Qubit-Prozessor namens Sycamore verwendet hat, um ein bestimmtes Problem in 200 Sekunden zu lösen, für das ein herkömmlicher Computer Zehntausende von Jahren brauchen würde. IBM bestritt diese Behauptung sofort und sagte, dass ihre konventionellen Supercomputer das gleiche Problem in nur 2,5 Tagen lösen könnten und das Ziel der Quantenüberlegenheit nicht erreicht wurde. Obwohl umstritten, war die Ankündigung von Google einer der ersten Schritte zur Verwirklichung des Quantencomputers.

Quantencomputer werden fast jede Branche verändern und könnten einen großen Beitrag in den Bereichen Finanzen, Militär, Geheimdienst, Umwelt, Weltraumforschung, Arzneimitteldesign und -entdeckung, Luft- und Raumfahrttechnik, Versorgungsunternehmen wie Kernfusion, Polymerdesign, künstliche Intelligenz und Big Data leisten Suche und digitale Fertigung.

Quantencomputer werden nicht nur die komplexesten Probleme und Geheimnisse des Lebens lösen, sondern bald alle KI-Systeme stärken und als Gehirne dieser übermenschlichen Maschinen fungieren.

Lehrer können Quantencomputer als Anschauungsunterricht verwenden, um Konzepte auf hohem Niveau vorzustellen, zB bietet die Physik hinter Quantenmaschinen Möglichkeiten zur Erforschung. Quantencomputer werden die Hochschulbildung personalisieren. Die Leistung und Geschwindigkeit des Quantencomputings kann den individuellen Bedürfnissen der Schüler bei der Visualisierung adaptiver Lernmodelle am besten gerecht werden. Es schränkt den Raum ein, um es verständlicher zu machen und bietet theoretischen Konzepten eine praktische Anwendung. Im Großen und Ganzen wird Quantencomputing die Messlatte in der digitalen Kompetenz höher legen. Für Studierende sind Quantentechnologien ihre Zukunft und sie müssen die Grundlagen frühzeitig verstehen. Qiskit von IBM, Tutorials von Q-CTRL, Quantum Katas von Microsoft und Quantum Inspire von QuTech sind einige der Online-Quantum-Computing-Plattformen.

Da Quantencomputer extrem schnell sind, könnten ihre Verarbeitungsgeschwindigkeiten leicht die enorm langen Zahlenketten der heutigen Verschlüsselungssoftware durchbrechen. Es ist unbedingt erforderlich, sich hochsichere quantenresistente Post-Quanten-Algorithmen und Quantenkryptografie-Technologien wie die Quantenschlüsselverteilung (QKD) anzusehen, die Photonen verwendet, um die kryptografischen Schlüssel für eine sichere verschlüsselte Kommunikation zu verteilen. Für Quantencomputer wurden bereits mehrere Algorithmen entwickelt, darunter Grovers zum Durchsuchen einer unstrukturierten Datenbank und Shors zum Faktorisieren großer Zahlen.

Quantencomputer sind extrem schwer zu bauen und zu programmieren und teuer, in Millionenhöhe. Die Schwierigkeit ergibt sich vor allem aus der Herausforderung, mit fragilen Qubits und kniffligen Phänomenen wie Dekohärenz zu arbeiten. Außerdem sind Quantencomputer extrem empfindlich gegenüber Rauschen, Störungen, Interferenzen und anderen Umweltfaktoren. Quantencomputer nehmen viel Platz ein, benötigen extrem niedrige Temperaturen zum Betrieb und sind dennoch sehr empfindlich.

Die Suche nach großen, fehlerkorrigierten Quantencomputern ist in Sicht. Einige große Unternehmen und kleine Start-ups haben bereits mit fehlerfreien Quantencomputern begonnen, die aus mehreren Dutzend Qubits bestehen, und einige davon sind sogar über die Cloud für die Öffentlichkeit zugänglich. Quantensimulatoren machen auch Fortschritte in Bereichen, die von der molekularen Energetik bis zur Vielteilchenphysik reichen. Eine weitere Möglichkeit sind Quantencomputer auf Basis der Halbleitertechnologie mit dem Konzept der Quantenpunkte. Quantenpunkte sind künstliche Halbleiter-Nanokristalle, die Elektronen transportieren können. Ein solches Quantensystem könnte schneller sein und mehr Speicher bereitstellen und hat das Potenzial, sehr viele Qubits zu integrieren.

Quantencomputer werden jedoch die „klassischen“ Computer, die wir heute verwenden, nie vollständig ersetzen. Sie werden keine Webbrowser ausführen, keine E-Mails senden, kein Desktop-Publishing ausführen oder das neueste Video von Netflix streamen. Quantencomputer haben das Potenzial, die Berechnung zu revolutionieren, indem sie bestimmte Arten von klassisch hartnäckigen Problemen lösbar machen.

Quantencomputer haben seit den frühen Projekten in den 90er Jahren einen langen Weg zurückgelegt; aber aufgrund der kniffligen Natur der Quantenmechanik wird es mehr Zeit und Geld kosten, sie vollständig aus den Forschungslabors zu entfernen und für den allgemeinen Gebrauch verfügbar zu machen. Das umsichtige Vorgehen ist jedoch aus allen Perspektiven frühzeitig vorzubereiten. Die Ära der Quantencomputer hat tatsächlich begonnen und sollte weitreichende Vorteile für die ganze Welt haben.

Hierbei handelt es sich um die Übersetzung des original Artikels auf "Daily Excelsior" - Era of Quantum Computers "Artikel".
Diesen Artikel habe ich mit besten Wissen und Gewissen von englischen ins deutsche übersetzt.