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Ein Schritt näher am Quantencomputer

INGENIEURWISSENSCHAFTENEin Schritt näher am Quantencomputer

Reihe von Durchbrüchen im Quantencomputing

Ein gewöhnlicher Computer, der heute als klassischer oder traditioneller Computer bezeichnet wird, arbeitet nach dem Grundkonzept der Nullen und Einsen (Nullen und Einsen). Wenn wir die fragen Computer um eine Aufgabe für uns zu erledigen, zum Beispiel eine mathematische Berechnung oder Buchung eines Termins oder alles, was mit dem täglichen Leben zu tun hat, wird diese Aufgabe im gegebenen Moment in eine Folge von 0 und 1 umgewandelt (oder übersetzt) ​​(die dann als bezeichnet wird). Eingabe) wird diese Eingabe von einem Algorithmus verarbeitet (definiert als eine Reihe von Regeln, die befolgt werden müssen, um eine Aufgabe auf einem Computer zu erledigen). Nach dieser Verarbeitung wird eine neue Zeichenfolge aus 0 und 1 zurückgegeben (so genannte Ausgabe), die das erwartete Ergebnis codiert und als „Antwort“ auf die vom Computer gewünschten Aufgaben des Computers in einfachere benutzerfreundliche Informationen zurückübersetzt wird . Es ist faszinierend, dass ein Computeralgorithmus, egal wie schlau oder clever der Algorithmus erscheinen mag und welcher Schwierigkeitsgrad der Aufgabe auch immer sein mag, nur diese eine Sache tut – Bitfolgen manipulieren – wobei jedes Bit entweder 0 oder 1 ist Manipulation geschieht auf dem Computer (auf der Softwareseite) und auf Maschinenebene wird dies durch elektrische Schaltkreise (auf der Hauptplatine des Computers) dargestellt. In der Hardware-Terminologie ist dieser Stromkreis geschlossen, wenn Strom durch diese Stromkreise fließt, und ist offen, wenn kein Strom vorhanden ist.

Klassischer vs. Quantencomputer

In klassischen Computern ist ein Bit daher eine einzelne Information, die in zwei möglichen Zuständen vorliegen kann – 0 oder 1. Wenn wir jedoch über Quanten- Computern verwenden sie normalerweise Quantenbits (auch "Qubits" genannt). Dies sind Quantensysteme mit zwei Zuständen, jedoch können Qubits im Gegensatz zum üblichen Bit (als 0 oder 1 gespeichert) viel mehr Informationen speichern und können in jeder Annahme dieser Werte existieren. Um es besser zu erklären, kann man sich ein Qubit als eine imaginäre Kugel vorstellen, wobei Qubit ein beliebiger Punkt auf der Kugel sein kann. Man kann sagen, dass Quantencomputer die Fähigkeit subatomarer Teilchen ausnutzen, zu einem bestimmten Zeitpunkt in mehr als einem Zustand zu existieren und sich dennoch gegenseitig auszuschließen. Andererseits kann ein klassisches Bit nur in zwei Zuständen sein – beispielsweise am Ende von zwei Polen der Kugel. Im gewöhnlichen Leben können wir diese „Überlagerung“ nicht sehen, denn wenn ein System einmal als Ganzes betrachtet wird, verschwinden diese Überlagerungen und das ist der Grund, warum das Verständnis solcher Überlagerungen unklar ist.

Für die Computer bedeutet dies, dass Quantencomputer, die Qubits verwenden, eine riesige Menge an Informationen mit weniger Energie speichern können als ein klassischer Computer und daher Operationen oder Berechnungen auf einem Quantencomputer relativ viel schneller durchgeführt werden können. Ein klassischer Computer kann also eine 0 oder 1 annehmen, zwei Bits in diesem Computer können in vier möglichen Zuständen sein (00, 01, 10 oder 11), aber es wird immer nur ein Zustand dargestellt. Ein Quantencomputer hingegen arbeitet mit Teilchen, die sich in Überlagerung befinden können, wodurch zwei Qubits aufgrund der Eigenschaft der Überlagerung, die die Computer von „binärer Beschränkung“ befreit, gleichzeitig genau die gleichen vier Zustände darstellen können. Dies kann dem gleichzeitigen Betrieb von vier Computern entsprechen, und wenn wir diese Qubits hinzufügen, wächst die Leistung des Quantencomputers exponentiell. Quantencomputer nutzen auch eine andere Eigenschaft der Quantenphysik namens "Quantenverschränkung", die von Albert Einstein definiert wurde den anderen beeinflussen. Die dualen Fähigkeiten von „Überlagerung“ und „Verschränkung“ sind im Prinzip recht mächtig. Daher ist die Leistung eines Quantencomputers im Vergleich zu klassischen Computern unvorstellbar. Das hört sich alles sehr spannend und unkompliziert an, jedoch gibt es in diesem Szenario ein Problem. Wenn ein Quantencomputer Qubits (überlagerte Bits) als Eingabe verwendet, wird seine Ausgabe ebenfalls in einem Quantenzustand sein, dh eine Ausgabe mit überlagerten Bits, die sich auch abhängig von ihrem Zustand ändern können. Diese Art von Ausgabe funktioniert nicht Es erlaubt uns nicht wirklich, alle Informationen zu erhalten, und daher besteht die größte Herausforderung in der Kunst des Quantencomputers darin, Wege zu finden, so viele Informationen aus dieser Quantenausgabe zu gewinnen.

Quantencomputer wird da sein!

Quantencomputer können als leistungsstarke Maschinen definiert werden, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren und einen völlig neuen Ansatz zur Verarbeitung von Informationen verfolgen. Sie versuchen komplexe Naturgesetze zu erforschen, die es schon immer gab, aber meist im Verborgenen geblieben sind. Wenn solche Naturphänomene erforscht werden können, kann Quantencomputing neue Arten von Algorithmen zur Verarbeitung von Informationen ausführen und dies könnte zu innovativen Durchbrüchen in den Materialwissenschaften, der Wirkstoffforschung, der Robotik und der künstlichen Intelligenz führen. Die Idee eines Quantencomputers wurde bereits 1982 vom amerikanischen theoretischen Physiker Richard Feynman vorgeschlagen. Und heute arbeiten Technologieunternehmen (wie IBM, Microsoft, Google, Intel) und akademische Institutionen (wie das MIT und die Princeton University) an Quanten Computerprototypen, um einen Mainstream-Quantencomputer zu bauen. Die International Business Machines Corp. (IBM) hat kürzlich erklärt, dass ihre Wissenschaftler eine leistungsstarke Quantencomputerplattform aufgebaut haben und diese für den Zugriff verfügbar gemacht werden kann, merkt jedoch an, dass dies für die meisten Aufgaben nicht ausreicht. Sie sagen, dass ein 50-Qubit-Prototyp, der derzeit entwickelt wird, viele Probleme lösen kann, die klassische Computer heute lösen, und in Zukunft würden 50-100-Qubit-Computer die Lücke weitgehend schließen, dh ein Quantencomputer mit nur wenigen hundert Qubits könnte dies tun mehr Berechnungen gleichzeitig durchführen, als es Atome im bekannten Universum gibt. Realistisch betrachtet ist der Weg, auf dem ein Quantencomputer einen klassischen Computer bei schwierigen Aufgaben tatsächlich übertreffen kann, voller Schwierigkeiten und Herausforderungen. Kürzlich hat Intel erklärt, dass der neue 49-Qubit-Quantencomputer des Unternehmens einen Schritt in Richtung dieser „Quantenvorherrschaft“ darstellt, ein wichtiger Fortschritt für das Unternehmen, das erst vor zwei Monaten ein 17-Bit-Qubit-System demonstriert hatte. Ihre Priorität besteht darin, das Projekt weiter auszubauen, basierend auf dem Verständnis, dass die Erweiterung der Anzahl von Qubits der Schlüssel zur Entwicklung von Quantencomputern ist, die reale Ergebnisse liefern können.

Material ist der Schlüssel zum Bau von Quantencomputern

Das Material Silizium ist seit Jahrzehnten ein integraler Bestandteil der Computertechnik, da es aufgrund seiner wichtigsten Fähigkeiten gut für allgemeine (oder klassische) Computeranwendungen geeignet ist. Was das Quantencomputing anbelangt, wurden siliziumbasierte Lösungen jedoch hauptsächlich aus zwei Gründen nicht eingeführt: Erstens ist es schwierig, auf Silizium hergestellte Qubits zu kontrollieren, und zweitens ist noch unklar, ob Silizium-Qubits sowie andere skalieren könnten Lösungen. In einem großen Fortschritt hat Intel erst kürzlich entwickelt1 eine neue Art von Qubit, bekannt als "Spin-Qubit", die auf herkömmlichem Silizium hergestellt wird. Spin-Qubits ähneln der Halbleiterelektronik sehr und liefern ihre Quantenleistung, indem sie den Spin eines einzelnen Elektrons auf einem Siliziumgerät nutzen und die Bewegung mit winzigen Mikrowellenpulsen steuern. Zwei große Vorteile, die dazu geführt haben, dass Intel in diese Richtung gegangen ist, sind zum einen, dass Intel als Unternehmen bereits stark in die Siliziumindustrie investiert ist und somit über das richtige Know-how in Sachen Silizium verfügt. Zweitens sind Silizium-Qubits vorteilhafter, weil sie kleiner als herkömmliche Qubits sind und von ihnen erwartet wird, dass sie über einen längeren Zeitraum kohärent bleiben. Dies ist von größter Bedeutung, wenn Quantencomputersysteme hochskaliert werden müssen (zB von 100-Qubit auf 200-Qubit). Intel testet diesen Prototyp und das Unternehmen erwartet, Chips mit Tausenden von kleinen Qubit-Arrays zu produzieren.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Wissenschaft, ein neu entworfenes Muster für photonische Kristalle (dh ein Kristalldesign, das auf einem photonischen Chip implementiert ist) wurde von einem Team der University of Maryland, USA, entwickelt, von dem sie behaupten, dass es Quantencomputer leichter zugänglich machen wird2. Diese Photonen sind die kleinste bekannte Lichtmenge und diese Kristalle waren mit Löchern verschanzt, die eine Wechselwirkung des Lichts bewirken. Verschiedene Lochmuster verändern die Art und Weise, wie das Licht durch den Kristall gebeugt und reflektiert wird, und hier wurden Tausende von dreieckigen Löchern hergestellt. Eine solche Verwendung einzelner Photonen ist wichtig für den Prozess der Entwicklung von Quantencomputern, da die Computer dann in der Lage sein werden, große Zahlen und chemische Reaktionen zu berechnen, die aktuelle Computer nicht ausführen können. Das Design des Chips ermöglicht eine verlustfreie Übertragung von Photonen zwischen Quantencomputern. Dieser Verlust wurde auch als große Herausforderung für Quantencomputer angesehen und daher kümmert sich dieser Chip um das Problem und ermöglicht eine effiziente Weiterleitung von Quanten- Informationen von einem System zum anderen.

Future

Quantencomputer versprechen, Berechnungen durchzuführen, die weit über alle herkömmlichen Supercomputer hinausgehen. Sie haben das Potenzial, die Entdeckung neuer Materialien zu revolutionieren, indem sie es ermöglichen, das Verhalten von Materie bis auf die atomare Ebene zu simulieren. Es macht auch Hoffnung für künstliche Intelligenz und Robotik, indem es Daten schneller und effizienter verarbeitet. Die Bereitstellung eines kommerziell tragfähigen Quantencomputersystems könnte in den kommenden Jahren von jeder der großen Organisationen durchgeführt werden, da diese Forschung noch offen und ein faires Spiel für alle ist. Wichtige Ankündigungen werden in den kommenden fünf bis sieben Jahren erwartet, und idealerweise sollten technische Probleme angegangen und ein Quantencomputer mit 1 Million oder mehr Qubits Realität werden.

***

{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

1. Castelvecchi D. 2018. Silizium gewinnt im Wettlauf der Quantencomputer an Boden. Natur. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3

2. Sabyasachi B. et al. 2018. Eine topologische Quantenoptik-Schnittstelle. Wissenschaft. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327

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