Das Grundkonzept von Quantencomputern ist die Verschränkung. Dieses Phänomen ermöglicht den sofortigen Austausch von Informationen zwischen zwei Qubits. Dieses Phänomen ist eng mit der Art und Weise verwandt, wie Logikgatter Speicherbits miteinander verbinden. Einstein nannte es “spukhafte Wirkung in der Ferne”. So funktioniert dieses Phänomen:
Verschränkung
Verschränkung ist ein Phänomen, das auftritt, wenn zwei Quantenteilchen verschränkt sind. Obwohl die beiden Teilchen entgegengesetzte Spins haben, scheinen sie zu wissen, was der jeweils andere tut, auch wenn sie nur durch eine sehr geringe Distanz getrennt sind. Die beiden Quantenteilchen tauschen keine Informationen aus, sondern befinden sich einfach in demselben Quantenzustand.
Verschränkte Zustände haben die Eigenschaft, dass sie nicht als Produkt zweier anderer Zustände geschrieben werden können. Das liegt daran, dass die Amplituden der beiden Zustände nicht gleich sind. Folglich sind auch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der beiden Qubits nicht identisch. Wenn sie gemessen werden, kollabieren die beiden Zustände in einen der vier möglichen Basiszustände.
Die Verschränkung kann auch dazu führen, dass Quantencomputer schneller sind als klassische Computer. Eine Methode zum Bau von Quantencomputern ist die sogenannte spontane parametrische Abwärtsumwandlung, bei der ein Laser auf einen speziellen nichtlinearen Kristall gerichtet wird. Dieser Kristall spaltet dann das eintreffende Photon in zwei Photonen mit korrelierten Polarisationen auf.
Die Quantenverschränkung ist ein grundlegendes Konzept bei Quantencomputern. Es handelt sich um eine sehr starke Verbindung zwischen zwei Quantenteilchen. Diese Verbindung ermöglicht es zwei Quantenteilchen, die durch eine große Entfernung getrennt sind, miteinander zu kommunizieren. Daher können Quantencomputersysteme dieses Phänomen nutzen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn es uns gelingt, mehr verschränkte Zustände zu erzeugen, können wir schnellere Computer bauen.
Die Verschränkung ist ein wesentlicher Bestandteil von Quantencomputern und verändert die Art und Weise, wie wir über Informationen denken. Forscher auf der ganzen Welt erforschen weiterhin, wie dieses Phänomen funktioniert.
Qubits
Die Idee hinter Quantencomputern besteht darin, ein System von Quantenteilchen für Berechnungen mit beliebigen Wahrscheinlichkeiten zu verwenden. Diese Teilchen werden als Qubits bezeichnet. Jedes Qubit hat eine beliebige Wahrscheinlichkeit von 0 oder 1, und es kann in mehreren Zuständen existieren. Dadurch kann es viele Lösungen auf einmal auswerten. Es funktioniert ähnlich wie eine Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Die Technologie wird derzeit in vielen Bereichen eingesetzt, unter anderem im Automobilbau, in der Chemie und in der Pharmazie. In der Automobilindustrie werden Quantencomputer beispielsweise eingesetzt, um die chemische Zusammensetzung von Batterien für Elektrofahrzeuge zu simulieren. Auch Pharmaunternehmen setzen sie ein, um chemische Verbindungen zu analysieren. Letztendlich werden diese neuen Computer die Art und Weise, wie wir Daten analysieren, verbessern und unsere Unternehmen effizienter machen.
Quantencomputer sind nicht perfekt – sie können Fehler machen, so dass sie nicht immer die beste Lösung finden. Die Fehlerquote nimmt mit der Komplexität des Problems zu. Aus diesem Grund werden Quantencomputer am besten eingesetzt, um mehrere Iterationen desselben Vorgangs durchzuführen, um das beste Ergebnis zu erzielen. Darüber hinaus sind sie nicht anfällig für Skalierungsprobleme.
Um zu funktionieren, verwenden Quantencomputer mikroskopisch kleine Teilchen, die so genannten Qubits. Diese Qubits werden in einem kontrollierten Quantenzustand isoliert und von Informatikern manipuliert. Im Gegensatz zu klassischen Computern arbeiten Quantencomputer mit zwei Prinzipien der Quantenphysik: Überlagerung und Ionenfalle. In diesem Zustand können die Elektronen frei und ohne Widerstand fließen.
Quantencomputer ähneln klassischen Computern, ihre Verarbeitungsleistung ist jedoch exponentiell höher. Durch die Verwendung von Quantenbits können Quantencomputer exponentiell mehr Daten verarbeiten als klassische Computer. Sie sind in der Lage, komplexe Probleme zu lösen, die für einen klassischen Computer unmöglich zu lösen wären. Außerdem bieten sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie Daten in mehreren Dimensionen gleichzeitig verarbeiten können.
Grovers Algorithmus
Quantencomputer sind in der Lage, Probleme zu lösen, die für herkömmliche Computer praktisch unmöglich sind. Solche Computer erfordern ein Überdenken der traditionellen Verarbeitungsprinzipien. Viele Länder investieren in die Erforschung dieser Technologie, weil sie ihnen einen großen technologischen Vorsprung verschaffen könnte. Selbst große Unternehmen wie IBM und Google bemühen sich, die nächste Generation von Supercomputern zu bauen. Einige haben sogar Prototypen von Quantencomputern.
Es ist äußerst schwierig, einen praktischen Quantencomputer zu konstruieren. Trotz der vielversprechenden Aussichten gibt es noch viele Hindernisse für Quantencomputer. Erstens gibt es Probleme mit der Skalierung. Obwohl es bereits Quantencomputer mit 1024 Bits gibt, sind 2048-Bit-Quantencomputer noch Jahrzehnte davon entfernt, praktisch zu werden. Außerdem sind die erreichten Kohärenzzeiten von Quantencomputern immer noch submikroskopisch, d. h. sie würden viele Minuten benötigen, um hypothetische große Berechnungen durchzuführen.
Der Grover-Algorithmus kann asymmetrische Verschlüsselungssysteme wirksam brechen. Dazu reduziert er die Komplexität des Problems auf die Hälfte seiner Länge. Dies macht es einfach, kryptografische Systeme zu brechen, die auf ehemals schwierigen Problemen beruhen, die nutzlos sind. Dieser Algorithmus reduziert die Komplexität des Problems auf die Hälfte seiner Schlüssellänge, wodurch sich die äquivalente Sicherheit auf die Hälfte der Schlüssellänge reduziert. So hat beispielsweise ein Schlüssel mit einer Länge von hundertacht Bit eine Angriffskomplexität von 2128.
Ein weiterer Vorteil von Grovers Algorithmus für Quantencomputer ist seine Geschwindigkeit. Im Vergleich zu klassischen Algorithmen bietet dieser quantenberechnete Algorithmus einen quadratischen Geschwindigkeitszuwachs. Es ist auch möglich, denselben öffentlichen Schlüssel für verschiedene Transaktionen zu verwenden. Es ist wichtig, einen sicheren Algorithmus zu wählen, wenn man sich vor Quantenangreifern schützen will.
Ein Quantencomputer, der Qubits verwendet, kann viel mehr Informationen speichern als ein klassischer Computer. Außerdem können Quantencomputer weniger Energie verbrauchen. Sie können auch unendlich viele Informationen kodieren. Dies ist möglich, weil die Qubits überlagert werden können. Allerdings können die Qubits verzerrt werden, und Messungen stören den Überlagerungszustand.
Superposition
Superposition ist ein Konzept in der Physik, das verwendet wird, um die Zustände von zwei Teilchen gleichzeitig zu beschreiben. Die Superposition ist für das Rechnen nützlich, da sie es Quantencomputern ermöglicht, Informationen schneller zu speichern und zu verarbeiten. Infolgedessen werden Quantencomputer eine größere Verarbeitungsleistung haben als klassische Computer. Sie werden in der Lage sein, Informationen in Form von Qubits zu verarbeiten, die entweder Eins oder Null oder eine Überlagerung von beidem sind.
Um die Überlagerung zu verstehen, müssen wir Wellen verstehen. Das Konzept der Wellen wurde erstmals von Neil Bohr vorgeschlagen, der behauptete, dass sich fundamentale Teilchen wie Wellen verhalten, die periodische Funktionen sind. Ein einfaches Beispiel für eine Welle ist die Bewegung eines Pendels. Eine Sinuswelle beschreibt die Bewegung eines Pendels, während eine Cos-Welle die Bewegung von Licht beschreibt. Licht, ein Photon, ist eine elektromagnetische Welle, die aus den Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes besteht.
Die Überlagerung in Quantencomputern hat das Potenzial, Quantencomputer zu ermöglichen, aber es muss klar sein, dass ein Quantenprozessor auf Fehler und Unvollkommenheiten stoßen wird. Diese Fehler werden als Dekohärenzfehler bezeichnet. Das Dekohärenzproblem hat grundlegende Auswirkungen, die über die Quanteninformationswissenschaft hinausgehen. Insbesondere erklärt es, warum in einer Quantenwelt Klassizität entstehen kann.
Die Überlagerung in Quantencomputern ist eines der Grundprinzipien der Quanteninformatik. Ohne dieses Prinzip könnten Quantencomputer keine Berechnungen durchführen. Die Überlagerung eines Qubits ist eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Quantenzuständen. Diese Überlagerung führt zu Quanteninterferenz, die es Quantenalgorithmen ermöglicht, diese Interferenz zu nutzen, um unerwünschte Zustände auszulöschen.
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