Die Herausforderung des Quantencomputings

Inhalt

• Quantenrealität
• Die Herstellung eines Quantenbits
• Keine Bugs, kein Stress - Ihre schrittweise Anleitung zur Erstellung lebensverändernder Software, ohne Ihr Leben zu zerstören
• Wie nah sind wir?
• Fazit

Quelle: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Wegbringen:

Sehen Sie sich Quantencomputer genauer an, wie sie funktionieren und welche Zukunftspotenziale sie haben.

"Wenn Sie glauben, Quantenphysik zu verstehen, verstehen Sie Quantenphysik nicht." Dieses Zitat wird dem Physiker Richard Feynman zugeschrieben, aber es ist unklar, ob er es tatsächlich gesagt hat. Hier ist ein zuverlässigeres Feynman-Zitat aus einer MIT-Veröffentlichung von 1995: „Ich glaube, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.“

Quantenrealität

Nachdem wir das aus dem Weg geräumt haben, wollen wir sehen, ob wir etwas wissen, was wir wissen. Die Quantenmechanik ist komisch. Diese winzigen Teilchen auf Quantenebene verhalten sich einfach nicht wie erwartet. Dort sieht es anders aus.

Verrückte Dinge passieren im Quantenuniversum. Da ist die intrinsische Zufälligkeit, die Unsicherheit, die Verstrickung. Es scheint alles ein bisschen viel.

Wir wissen jetzt, dass Atome und subatomare Teilchen sich so verhalten, als wären sie verbunden. Einstein nannte die Quantenverschränkung „gespenstische Aktion in der Ferne“. Stellen Sie sich zwei Objekte vor, die physisch voneinander getrennt sind, sich jedoch gleich verhalten, dieselben Eigenschaften haben und als eines fungieren. Stellen Sie sich nun vor, dass diese beiden Objekte 100.000 Lichtjahre voneinander entfernt sind. In der Tat komisch.

Es gibt mehr. Das Unsicherheitsprinzip in der Quantenmechanik besagt, dass bestimmte Eigenschaften von Partikeln einfach nicht bekannt sind. Hinzu kommt das Problem der Dekohärenz, das mit dem Zusammenbruch der Wellenfunktion zu tun hat. Und Versionen des Doppelspaltexperiments scheinen darauf hinzudeuten, dass sich ein Quantenobjekt gleichzeitig an zwei Orten befinden kann, dass die Beobachtung die Natur subatomarer Teilchen verändert oder dass Elektronen in der Zeit zurückgereist zu sein scheinen.

Jetzt sehen Sie, warum der Bau eines Quantencomputers eine solche Herausforderung sein kann. Aber das hindert die Leute nicht daran, es zu versuchen. (Weitere Informationen zu Quantum Computing finden Sie unter Warum Quantum Computing der nächste Schritt auf dem Big Data Highway sein kann.)

Die Herstellung eines Quantenbits

Das Problem mit der Unsicherheit ist, dass es die Berechnung schwierig macht. Das Ziel ist immer in Bewegung. Und selbst wenn Sie ein mathematisches System entwickeln, wie korrigieren Sie Fehler? Und Sie dachten, binär war schwer.

"Ein Qubit ist ein quantenmechanisches System, für das unter bestimmten Umständen nur zwei Quantenpegel gelten", sagt Professor Andrea Morello von der University of New South Wales in Australien. "Und sobald Sie das haben, können Sie es verwenden, um Quanteninformationen zu kodieren."

Keine Bugs, kein Stress - Ihre schrittweise Anleitung zur Erstellung lebensverändernder Software, ohne Ihr Leben zu zerstören

Sie können Ihre Programmierkenntnisse nicht verbessern, wenn sich niemand um die Softwarequalität kümmert.

Leichter gesagt als getan. Aktuelle Quantencomputer sind noch nicht sehr leistungsfähig. Sie versuchen immer noch, die richtigen Bausteine ​​zu finden.

Ein Quantenbit, das auch als Qubit bezeichnet wird, hat im Binär-Digital-Computing ein exponentiell höheres Potenzial als das klassische Bit. Ein Elementarteilchen kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden, was als Überlagerung bezeichnet wird. Während sich ein klassisches Bit in einem von zwei Zuständen (eins oder null) befinden kann, kann sich ein Qubit gleichzeitig an beiden Positionen befinden.

Denken Sie an eine Münze. Es hat zwei Seiten: Kopf oder Zahl. Eine Münze ist binär. Aber stellen Sie sich vor, Sie werfen die Münze in die Luft und sie wirft auf unbestimmte Zeit. Ist es Kopf oder Zahl, während es sich dreht? Was wird es sein, wenn es jemals landen sollte? Wie kann man die umwerfende Münze quantifizieren? Dies ist ein schwacher Versuch, die Überlagerung zu veranschaulichen.

Wie macht man ein Qubit? Nun, wenn Quantenphysiker die Quantenmechanik nicht verstehen, können wir hier kaum eine angemessene Erklärung finden. Begnügen wir uns mit einer Auswahl von Technologien, die getestet werden, um Qubits zu erstellen:

• Supraleitende Schaltungen
• Qubits drehen
• Ionenfallen
• Photonische Schaltkreise
• Topologische Geflechte

Am beliebtesten sind die ersten beiden. Die anderen sind Fächer der universitären Forschung. Bei der ersten Technik werden Supraleiter unterkühlt, um elektromagnetische Störungen zu beseitigen. Die Kohärenzzeiten sind jedoch relativ kurz und die Dinge brechen zusammen. Professor Morello arbeitet an der Spin-Technik. Quantenteilchen sind wie Magnete elektrisch geladen. Durch Mikrowellenimpulse kann er ein Elektron dazu bringen, sich zu drehen, anstatt abzusenken, wodurch ein Einzelelektronentransistor entsteht.

Dann bleibt die Frage der Fehlertoleranz und der Fehlerkorrektur. Forscher an der University of California in Santa Barbara haben es geschafft, mit ihren Qubit-Gattern eine Wiedergabetreue von 99,4 Prozent zu erreichen. Sie haben an der Universität von Oxford eine Gate-Wiedergabetreue von 99,9 Prozent erreicht. Also sind wir schon da?

Wie nah sind wir?

Edwin Cartlidge stellt diese Frage in einem Artikel für Optics & Photonics News vom Oktober 2016. Eine Warnung von ETSI aus dem Jahr 2015, dass Unternehmen auf „quantensichere“ Verschlüsselungstechniken umsteigen sollten, sollte Ihnen mitteilen, dass sich etwas in Sicht befindet.

Google, Microsoft, Intel und IBM sind alle im Spiel. Einer der Schwellenwerte, die Google verfolgt, wird als "Quantenüberlegenheit" bezeichnet. Er beschreibt den Punkt, an dem ein Quantencomputer etwas tut, was ein klassischer Computer nicht kann.

Laut David Castelvecchi von Scientific American plant IBM 2017 die Einführung eines „universellen“ Quantencomputers. Es wird als „IBM Q“ bezeichnet und ist ein Cloud-basierter Dienst, der gegen eine Gebühr über das Internet verfügbar ist. Sie können einen Eindruck davon bekommen, woran sie gerade arbeiten, indem Sie ihre Quantum Experience ausprobieren, die jetzt online verfügbar ist. Aber Castelvecchi sagt, dass keine dieser Bemühungen leistungsfähiger als herkömmliche Computer sind - noch. Die Überlegenheit des Quantums ist noch nicht geklärt.

Wie Techopedia 2013 berichtete, verfügt Google über zahlreiche Anwendungen für einen ausgereiften Quantencomputer, der einmal entwickelt wurde. Microsoft arbeitet an topologischen Quantencomputern. Mehrere Startups laufen an und es wird viel im Feld gearbeitet. Einige Experten warnen jedoch, dass das Gericht möglicherweise noch nicht vollständig gekocht ist. „Ich mache keine Pressemitteilungen über die Zukunft“, sagt Rainer Blatt von der Universität Innsbruck in Österreich. Und der Physiker David Wineland sagt: "Ich bin langfristig optimistisch, aber was" langfristig "bedeutet, weiß ich nicht."

Suchen Sie nicht danach, Ihren Laptop in Kürze zu ersetzen, selbst wenn die Vorherrschaft im Bereich Quantencomputer erreicht ist. Quantencomputer sind, wie ihre binären Gegenstücke in der Anfangszeit, möglicherweise nur spezialisierte Geräte für bestimmte Zwecke. Eine der gebräuchlichsten Anwendungen wäre, einen Quantencomputer die Quantenmechanik simulieren zu lassen. Abgesehen von intensiven Computeroperationen wie Wettervorhersagen kann die Verwendung von Quantencomputern zentralisiert und auf die Cloud beschränkt sein. Das könnte natürlich der perfekte Ort dafür sein.

Fazit

Professor Morello identifizierte klar die primäre Herausforderung des Quantencomputers. Bevor Sie mit der Codierung von Informationen beginnen können, müssen Sie in der Lage sein, mit dem Qubit zwei diskrete Quantenpegel zu erstellen. Sobald dies erreicht ist, erhalten Sie mit dem Quantencomputer „Zugang zu einem exponentiell größeren Rechenraum“ als mit einem klassischen Computer. Ein Quantencomputer zum Beispiel mit 300 Qubits (N Qubits = 2^N klassische Bits) könnten mehr Informationsbits verarbeiten, als es Partikel im Universum gibt.

Das sind viele Dinge. Aber um von hier nach dort zu gelangen, ist etwas zu tun.