Was ist ein Quantencomputer
Ein Quantencomputer ist ein Computer der anstelle der klassischen Bits (Einsen und Nullen), Quantenbits kurz Qubits nutzt.Doch was genau ist ein Qubit?
Basierend auf dem Superpositionsprinzip nutzt ein Qubit nicht nur Einsen oder Nullen, es ist in der Lage beide Zustände gleichzeitig darzustellen.
Durch diesen Vorteil sind Quantencomputer in der Lage mehrere Berechnungen mit verschiedenen Eingaben gleichzeitig vorzunehmen.
Klassische Computer können immer nur eine Aufgabe und eine Berechnung gleichzeitig abarbeiten.
Stellt euch dabei einen Flaschenhals mit einem Trichter vor.
Die Daten werden im Trichter verarbeitet und fließen durch den Flaschenhals in die Flasche, der Flaschenhals ist die schmälste stelle, egal wieviel ihr in den Trichter schüttet.
Es fließt durch den Flaschenhals und wird dadurch automatisch langsamer.
Vereinfacht dargestellt arbeitet ein heutiger Prozessor nach diesem Prinzip, er besitzt so viel Flaschenhälse wie Prozessorkerne und egal wie viel Daten ihr eingebt, es läuft nur so schnell wie die Daten durch den Flaschenhals fließen.
Qubits können theoretisch unendlich viele Zustände gleichzeitig annehmen.
Aber auch wenn Qubits nur zwei verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen können, dann würde jedes Qubit das dazukommt die Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Zustände verdoppeln.
Somit wären 3 Qubits bereits in der Lage 8 Zustände gleichzeitig anzunehmen, 300 Qubits wären sogar in der Lage 2 hoch 300 also eine Zahl mit 91 Stellen gleichzeitig anzunehmen!
Dies wäre für einen normalen Computer eine nicht zu lösende Aufgabe.
Und genau hier erkennt man den einzigartigen Vorteil eines Quantencomputers.
Was bedeutet Superposition?
Das Superpositionsprinzip ist die Fähigkeit von Qubits für einen definierte Zeitspanne, ein sogenannte Koheränzzeit, zwei oder mehrere Zustände gleichzeitig anzunehmen.Eine Koheränzzeit kann ein Bruchteil von einer Sekunde sein, aber auch über eine Stunde andauern.
Darauf erfolgt sogleich der Verlust von Superpositionen.
Spannend wird das, wenn mehrere Qubits zusammenarbeiten.
Bei zwei Qubits lassen sich schon vier Zustände abbilden. Bei 10 Qubits sind schon 1000 Zustände möglich.
Jedes Qubit verdoppelt die Anzahl von Informationen, die gespeichert werden können. Bei 20 Qubits wird schon mehr als eine Million Möglichkeiten von Zuständen erreicht. Jedes Qubit verdoppelt die Anzahl von Information die Abgebildet werden können. Daraus lassen sich schon leistungsstarke Systeme entwickeln.
Das Superpositionsprinzip hat ein enormes Potential für verschiedenste Bereiche.
schneller als das Licht mit Qubits?
Qubits sind, beziehungsweise können, quantenverschränkt sein.Vereinfacht ausgedrückt, könnte man sagen das die Qubits mit oder untereinander verbunden sind.
Wenn nun ein Qubit seinen Zustand ändert, ändert sich gleichzeitig auch der Zustand der andern quantenverschränkten Qubits welche miteinander verbunden sind.
Der Zustand ist somit immer abhängig von den anderen Qubits, und genau aus diesem Grund können auch Berechnungen in Überlichtgeschwindigkeit durchgeführt werde.
Ein Vorteil mehr gegenüber den heutigen Computersystemen.
Wie entstehen Qubits?
Um ein Qubit entstehen zu lassen, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung.Normal werden dabei geladene Atome (Ionen), in elektrische und magnetische Felder gepackt, aus denen sie nicht entkommen können.
In diesem Ionen Gefängnis können Sie mittels Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände versetzt werden und dadurch mit Informationen versehen werden.
Auch das Auslesen dieser Daten erfolgt mittels Mikrowellenstrahlung.
Jedes einzelne Ion in dieser Zelle ist dabei ein Qubit. Google hingegen arbeitet mit Quantenchips, bei denen auf kleinstem Raum schwache Strömung im Kreis fließt.
Stellt euch dabei einen kreisrunden Gang vor, welchem die einzelnen Wellen durchwandern.
Jeder Kreisstrom (Qubit) kann auch hier durch Mikrowellenstrahlung in verschiedene Zustände versetzt und danach auch wieder ausgelesen werden.
Warum ist es schwierig einen Quantencomputer zu bauen?
Um Qubits zu realisieren, stehen die Entwickler vor grossen technischen Herausforderungen. Denn ein grundlegendes Problem ist die Bewegung. Haben Teilchen eine bestimmte Energie, fangen sie sich an zu bewegen.Durch die Bewegung entsteht aber auch Wärme. Damit die Entwickler damit Arbeiten können, müssen die Teilchen ruhiggestellt werden.
Um das zu erreichen, müssen die Entwickler die Computerchips, auf denen die Ionenfallen oder Kreisströme aufgebracht sind, kühlen.
Das Bedeutet, dass die Bauteile genau auf 0 Kelvin, in Celsius -273.15 Grad, gekühlt werden müssen.
Dazu werden aufwendige Kühlmaschinen und Energie benötigt. Es braucht Tage bis die Computerchips die erforderliche Temperatur erreicht haben.
Erschwerend kommt noch dazu, dass die Qubits nicht stabil sind. Jede noch so kleine Störung, wie Erschütterungen, magnetische und elektrische Felder, und alle anderen äusseren Einflüsse zerstören deren Quantenzustand. Die Abschirmung auf die äusseren Einflüsse kann noch so gut sein, die Qubits bleiben nur für eine kurze Zeit stabil.
Wann werden Quantencomputer Realität?
Schon in den frühen 1990er Jahren gab es bereits erste Quantencomputer.Seither wurden diese ständig verbessert und im November 2021 lag der Rekord bei 127 Qubits für den Prozessor.
Quantencomputer welche jedoch wie die heutigen Computer, frei programmiert werden können, werden von den Forschern frühstens im Jahr 2030 erwartet.
Es bleibt spannend!