Was ist Quantencomputing?

Quantencomputing ist ein multidisziplinäres Gebiet, das Aspekte der Informatik, Physik und Mathematik umfasst und die Quantenmechanik nutzt, um komplexe Probleme schneller als auf klassischen Computern zu lösen. Das Gebiet des Quantencomputings umfasst Hardwareforschung und Anwendungsentwicklung. Quantencomputer sind in der Lage, bestimmte Arten von Problemen schneller zu lösen als klassische Computer, indem sie sich quantenmechanische Effekte wie Überlagerung und Quanteninterferenz zunutze machen. Anwendungen, bei denen Quantencomputer eine solche Beschleunigung ermöglichen, sind Machine Learning (ML), Optimierung und die Simulation physischer Systeme. Eventuelle Anwendungsfälle könnten die Portfolio-Optimierung im Finanzwesen oder die Simulation chemischer Systeme sein, um Probleme zu lösen, die derzeit selbst für die leistungsstärksten Supercomputer auf dem Markt unmöglich sind.

Was ist der Vorteil des Quantencomputings?

Derzeit ist kein Quantencomputer in der Lage, eine nützliche Aufgabe schneller, billiger oder effizienter auszuführen als ein klassischer Computer. Der Quantenvorteil ist die Schwelle, an der wir ein Quantensystem entwickelt haben, das Vorgänge ausführen kann, die der bestmögliche klassische Computer in keiner angemessenen Zeit simulieren kann.

Was ist Quantenmechanik?

Die Quantenmechanik ist der Bereich der Physik, der das Verhalten von Teilchen auf mikroskopischer Ebene untersucht. Auf subatomarer Ebene sind die Gleichungen, die das Verhalten der Teilchen beschreiben, anders als die Gleichungen, die die makroskopische Welt um uns herum beschreiben. Quantencomputer nutzen diese Verhaltensweisen, um Berechnungen auf eine völlig neue Art durchzuführen.

Was ist ein Qubit?

Quantenbits, oder Qubits, werden durch Quantenpartikel dargestellt. Die Manipulation von Qubits durch Steuergeräte ist das Kernelement der Rechenleistung eines Quantencomputers. Qubits in Quantencomputern sind vergleichbar mit Bits in klassischen Computern. Im Kern erledigt der Prozessor einer klassischen Maschine seine gesamte Arbeit durch die Bearbeitung von Bits. In ähnlicher Weise erledigt der Quantenprozessor seine gesamte Arbeit durch die Verarbeitung von Qubits.

Wie unterscheiden sich Qubits von klassischen Bits?

In der klassischen Datenverarbeitung ist ein Bit ein elektronisches Signal, das entweder an oder aus ist. Der Wert des klassischen Bits kann also Eins (An) oder Null (Aus) sein. Da das Qubit jedoch auf den Gesetzen der Quantenmechanik aufgebaut ist, kann es in eine Überlagerung von Zuständen versetzt werden.

Was sind die Grundsätze von Quantencomputing?

Ein Quantencomputer arbeitet nach Quantengrundsätzen. Die Quantengrundsätze erfordern ein neues Wörterbuch der Begriffe, um vollständig verstanden zu werden. Zu diesen Begriffen gehören Superposition, Verschränkung und Dekohärenz. Diese Grundsätze sollen im Folgenden erläutert werden.

Superposition

Die Superposition sagt aus, dass man, ähnlich wie bei Wellen in der klassischen Physik, zwei oder mehr Quantenzustände addieren kann und das Ergebnis ein anderer gültiger Quantenzustand ist. Umgekehrt kann man auch jeden Quantenzustand als eine Summe von zwei oder mehr anderen, unterschiedlichen Zuständen darstellen. Diese Überlagerung von Qubits gibt Quantencomputern ihre inhärente Parallelität, die es ihnen ermöglicht, Millionen von Operationen gleichzeitig zu verarbeiten.

Verschränkung

Quantenverschränkung liegt vor, wenn zwei Systeme so eng miteinander verknüpft sind, dass das Wissen über das eine System unmittelbar das Wissen über das andere System liefert, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Quantenprozessoren können aus der Messung eines Teilchens Rückschlüsse auf ein anderes ziehen. Beispielsweise können sie feststellen, dass, wenn sich ein Qubit nach oben dreht, sich das andere immer nach unten dreht und andersherum. Die Quantenverschränkung versetzt Quantencomputer in die Lage, komplexe Probleme schneller zu lösen.

Wenn ein Quantenzustand gemessen wird, kollabiert die Wellenfunktion und man misst den Zustand entweder als Null oder als Eins. In diesem bekannten oder deterministischen Zustand verhält sich das Qubit wie ein klassisches Bit. Verschränkung ist die Fähigkeit von Qubits, ihren Zustand mit anderen Qubits zu verknüpfen.

Dekohärenz

Dekohärenz ist der Verlust des Quantenzustands in einem Qubit. Umwelteinflüsse wie Strahlung können dazu führen, dass der Quantenzustand der Qubits zusammenbricht. Eine große technische Herausforderung beim Bau eines Quantencomputers ist die Gestaltung der verschiedenen Funktionen, mit denen versucht wird, die Dekohärenz des Zustands zu verzögern. So müssen beispielsweise spezielle Strukturen gebaut werden, die die Qubits von externen Feldern abschirmen.

Welche Komponenten hat ein Quantencomputer?

Quantencomputer verfügen über Hardware und Software, die denen eines klassischen Computers ähnlich sind.

Quanten-Hardware

Quanten-Hardware hat drei Hauptkomponenten.

Quanten-Datenebene

Die Quanten-Datenebene ist das Kernelement des Quantencomputers und umfasst die physikalischen Qubits und die Strukturen, die zu ihrer Fixierung erforderlich sind.

Steuer- und Messebene

Die Steuer- und Messebene konvertiert digitale Signale in analoge oder Wellensteuersignale. Diese analogen Signale führen die Operationen an den Qubits in der Quanten-Datenebene durch.

Steuerprozessor-Ebene und Host-Prozessor

Die Steuerungsprozessor-Ebene implementiert den Quantenalgorithmus oder die Abfolge von Vorgängen. Der Host-Prozessor interagiert mit der Quantensoftware und liefert ein digitales Signal oder eine klassische Bitfolge an die Steuer- und Messebene.

Quanten-Software

Quanten-Software implementiert einzigartige Quantenalgorithmen unter Verwendung von Quantenschaltungen. Ein Quantenschaltkreis ist eine Rechenroutine, die eine Reihe von logischen Quantenvorgängen auf den zugrunde liegenden Qubits definiert. Entwickler können unterschiedliche Software-Entwicklungstools und Bibliotheken verwenden, um Quantenalgorithmen zu entwickeln.

Welchen Arten von Quantentechnologie gibt es?

Niemand hat bisher den besten Weg zum Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers aufgezeigt. Mehrere Unternehmen und Forschungsgruppen untersuchen verschiedene Arten von Qubits. Im Folgenden geben wir ein kurzes Beispiel für einige dieser Qubit-Technologien.

Gate-basierte Ionenfallen-Prozessoren

Ein Gate-basierter Quantencomputer ist ein Gerät, das Eingabedaten entgegennimmt und sie gemäß einer vordefinierten einheitlichen Operation umwandelt. Die Operation wird in der Regel durch eine Quantenschaltung dargestellt und entspricht den Gate-Operationen in der herkömmlichen Elektronik. Quantengates sind jedoch völlig anders als elektronische Gates.

Gefangene-Ionen-Quantencomputer implementieren Qubits unter Verwendung elektronischer Zustände geladener Atome, die Ionen genannt werden. Die Ionen werden mit Hilfe elektromagnetischer Felder über der mikrofabrizierten Falle eingesperrt und gehalten. Bei Systemen, die auf gefangenen Ionen basieren, werden Quantengates mit Lasern eingesetzt, um den elektronischen Zustand des Ions zu manipulieren. Gefangene-Ionen-Qubits verwenden Atome, die aus der Natur stammen, anstatt die Qubits synthetisch herzustellen.

Gate-basierte supraleitende Prozessoren

Supraleitung ist ein Bündel von physikalischen Eigenschaften, die man bei bestimmten Materialien wie Quecksilber und Helium bei sehr niedrigen Temperaturen beobachten kann. In diesen Materialien kann man eine charakteristische kritische Temperatur beobachten, unterhalb derer der elektrische Widerstand gleich Null ist und magnetische Flussfelder ausgestoßen werden. Ein elektrischer Strom, der durch eine Schleife aus supraleitendem Draht fließt, kann unbegrenzt lange ohne Stromquelle andauern.

Supraleitendes Quantencomputing ist eine Implementierung eines Quantencomputers in supraleitende elektronische Schaltungen. Supraleitende Qubits bestehen aus supraleitenden elektrischen Schaltkreisen, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten.

Photonische Prozessoren

Ein Quantenphotonik-Prozessor ist ein Gerät, das Licht für Berechnungen manipuliert. Photonische Quantencomputer nutzen Quanten-Lichtquellen, die gepresste Lichtimpulse mit Qubits-Äquivalenten ausgeben, die den Modi eines kontinuierlichen Operators wie Position oder Momentum entsprechen.

Neutrale Atomprozessoren

Die Neutralatom-Qubit-Technologie ähnelt der Technologie der gefangenen Ionen. Es nutzt jedoch Licht anstelle von elektromagnetischen Kräften, um das Qubit einzufangen und in Position zu halten. Die Atome sind nicht geladen und die Schaltkreise können bei Raumtemperatur arbeiten

Rydberg-Atomprozessoren

Ein Rydberg-Atom ist ein angeregtes Atom mit einem oder mehreren Elektronen, die im Allgemeinen weiter vom Kern entfernt sind. Rydberg-Atome haben eine Reihe von besonderen Eigenschaften, darunter eine übermäßige Reaktion auf elektrische und magnetische Felder und eine lange Lebensdauer. Wenn sie als Qubits verwendet werden, bieten sie starke und kontrollierbare atomare Wechselwirkungen, die durch die Auswahl verschiedener Zustände abgestimmt werden können.

Quantenglühanlagen

Beim Quantenglühen werden die Qubits eines Quantensystems durch einen physikalischen Prozess in ein absolutes Energieminimum gebracht. Von dort aus passt die Hardware die Konfiguration des Systems sanft an, so dass die Energielandschaft das zu lösende Problem wiedergibt. Der Vorteil von Quantenglühanlagen besteht darin, dass die Anzahl der Qubits viel größer sein kann als in einem Gate-basierten System. Ihre Verwendung ist jedoch auf bestimmte Fälle beschränkt.

Wie nutzen Unternehmen Quantencomputing?

Das Quantencomputing kann die Industrie revolutionieren. Im Folgenden geben wir einige Anwendungsbeispiele an:

ML

Machine Learning (ML) ist der Prozess der Analyse großer Datenmengen, um Computern zu helfen, bessere Vorhersagen und Entscheidungen zu treffen. Die Forschung im Bereich des Quantencomputings erforscht die physikalischen Grenzen der Informationsverarbeitung und betritt Neuland in der Grundlagenphysik. Diese Forschung führt zu Fortschritten in vielen Bereichen von Wissenschaft und Industrie, beispielsweise in der Chemie, der Optimierung und der Molekularsimulation. Es ist auch von wachsendem Interesse für Finanzdienstleistungen, um Marktbewegungen vorherzusagen, sowie für die Fertigung, um Abläufe zu verbessern.

Optimierung

Quantencomputing kann Forschung und Entwicklung, die Optimierung der Lieferkette und die Produktion verbessern. Zum Beispiel könnten Sie Quantencomputer einsetzen, um die Kosten für Fertigungsprozesse zu senken und die Zykluszeiten zu verkürzen, indem Sie Elemente wie die Wegeplanung in komplexen Prozessen optimieren. Eine weitere Anwendung ist die Quantenoptimierung von Kreditportfolios, so dass Kreditgeber Kapital freisetzen, die Zinssätze senken und ihr Angebot verbessern können.

Simulation

Der Rechenaufwand, der für die präzise Simulation von Systemen erforderlich ist, steigt exponentiell mit der Komplexität von Arzneimittelmolekülen und -materialien. Selbst bei Verwendung von Annäherungsmethoden können die heutigen Supercomputer nicht den Grad an Genauigkeit erreichen, den diese Simulationen erfordern. Die Quanteninformatik hat das Potenzial, einige der schwierigsten Rechenprobleme in der Chemie zu lösen und der wissenschaftlichen Gemeinschaft chemische Simulationen zu ermöglichen, die heute nur schwer realisierbar sind. So hat Pasqal zum Beispiel seine QUBEC-Rechensoftware entwickelt, um chemische Simulationen durchzuführen. QUBEC automatisiert die schwierigen Arbeiten, die für die Durchführung von Quantenberechnungen erforderlich sind. Das geht von der automatischen Bereitstellung der Recheninfrastruktur, über die Durchführung klassischer Vor- und Nachberechnungen, bis hin zu Aufgaben der Fehlerbegrenzung.

Wie können Sie mit Quantencomputing beginnen?

Wenn Sie Quantencomputing ausprobieren möchten, können Sie mit einem Quanten-Hardware-Emulator auf Ihrem lokalen Rechner beginnen. Emulatoren sind reguläre Software, die das Quantenverhalten auf einem klassischen Computer imitieren. Sie sind vorhersehbar und erlauben es, Quantenzustände zu erkennen. Sie sind nützlich, wenn Sie Ihre Algorithmen testen wollen, bevor Sie in Quantenhardware-Zeit investieren. Sie können jedoch kein echtes Quantenverhalten nachbilden.

Sie können auch einen Cloud-Service für Quantencomputing nutzen, um auf einem echten Quantencomputer zu programmieren, ohne in teure Hardware zu investieren.

Wie kann AWS beim Quantencomputing helfen?

Amazon Braket ist ein vollständig verwalteter Quantencomputing-Service. Er soll dazu beitragen, die wissenschaftliche Forschung und die Softwareentwicklung für das Quantencomputing zu beschleunigen. Sie können Amazon Braket verwenden, um diese Aufgaben zu erledigen:

Arbeiten Sie mit verschiedenen Arten von Quantencomputern und Schaltungssimulatoren unter Verwendung eines einheitlichen Satzes von Entwicklungstools.
Erstellen Sie Quantenprojekte in einer vertrauenswürdigen Cloud mit einfachen Preis- und Verwaltungskontrollen, sowohl für Quanten- als auch für klassische Technologien.
Entwickeln Sie schnell Innovationen mit fachkundiger Anleitung und technischem Support, oder arbeiten Sie mit Beratern im Amazon Quantum Solutions Lab zusammen.
Erweitern Sie die Grenzen der Forschung im Bereich der Quantenhardware durch den Zugang zu gefangenen Ionen, supraleitenden oder photonischen Geräten und Glühanlagen.

Machen Sie Ihre ersten Schritten mit Quantencomputing, indem Sie noch heute ein AWS-Konto erstellen.

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