Was ist ein Quantenvorteil? Der Moment wird kommen, an dem extrem leistungsstarke Quantencomputer kommen

Der Quantenvorteil ist der Meilenstein, auf den das Gebiet des Quantencomputings eifrig hinarbeitet, wenn ein Quantencomputer Probleme lösen kann, die außerhalb der Reichweite der leistungsstärksten Nicht-Quantencomputer oder klassischen Computer liegen.

Quanten beziehen sich auf die Größenordnung von Atomen und Molekülen, in der die Gesetze der Physik, wie wir sie erleben, zusammenbrechen und ein anderer, kontraintuitiver Satz von Gesetzen zur Anwendung kommt. Quantencomputer machen sich diese seltsamen Verhaltensweisen zunutze, um Probleme zu lösen.

Es gibt einige Arten von Problemen für klassische Computer unpraktisch zu lösen, sowie Knacken modernster Verschlüsselungsalgorithmen. Forschungen der letzten Jahrzehnte haben gezeigt, dass Quantencomputer das Potenzial haben, einige dieser Probleme zu lösen. Wenn ein Quantencomputer gebaut werden kann, der tatsächlich eines dieser Probleme löst, wird er einen Quantenvorteil bewiesen haben.

Ich bin ein Physiker der sich mit der Quanteninformationsverarbeitung und der Kontrolle von Quantensystemen beschäftigt. Ich glaube, dass diese Grenze der wissenschaftlichen und technologischen Innovation nicht nur bahnbrechende Fortschritte in der Computertechnik verspricht, sondern auch einen breiteren Aufschwung in der Quantentechnologie darstellt, einschließlich bedeutender Fortschritte in der Quantenkryptographie und Quantensensorik.

Die Quelle der Leistungsfähigkeit des Quantencomputings

Im Mittelpunkt des Quantencomputings steht das Quantenbit bzw Qubit. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die nur die Zustände 0 oder 1 haben können, kann ein Qubit jeden Zustand haben, der eine Kombination aus 0 und 1 ist. Dieser Zustand, der weder nur 1 noch nur 0 ist, wird als a bezeichnet Quantenüberlagerung. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich die Anzahl der Zustände, die durch die Qubits dargestellt werden können.

Diese Eigenschaft wird oft mit der Quelle der Leistungsfähigkeit des Quantencomputings verwechselt. Vielmehr kommt es auf ein komplexes Zusammenspiel von Überlagerung, Einmischung und Verschränkung.

Bei der Interferenz werden Qubits so manipuliert, dass ihre Zustände während der Berechnungen konstruktiv kombiniert werden, um korrekte Lösungen zu verstärken, und destruktiv, um falsche Antworten zu unterdrücken. Konstruktive Interferenz entsteht, wenn sich die Spitzen zweier Wellen – wie Schallwellen oder Meereswellen – zu einem höheren Spitzenwert verbinden. Destruktive Interferenz entsteht, wenn ein Wellenberg und ein Wellental zusammentreffen und sich gegenseitig aufheben. Quantenalgorithmen, die nur wenige und schwierig zu entwickeln sind, erstellen eine Folge von Interferenzmustern, die die richtige Antwort auf ein Problem liefern.

Durch die Verschränkung entsteht eine einzigartige Quantenkorrelation zwischen Qubits: Der Zustand eines Qubits kann nicht unabhängig von den anderen beschrieben werden, egal wie weit die Qubits voneinander entfernt sind. Dies ist es, was Albert Einstein bekanntermaßen als „gruselige Aktion aus der Ferne“ abtat. Das durch einen Quantencomputer orchestrierte kollektive Verhalten der Verschränkung ermöglicht Rechengeschwindigkeiten, die mit klassischen Computern nicht erreichbar sind.

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Anwendungen des Quantencomputings

Quantencomputing hat eine Reihe potenzieller Einsatzmöglichkeiten, bei denen es klassische Computer übertreffen kann. In der Kryptographie sind Quantencomputer Chance und Herausforderung zugleich. Am bekanntesten ist, dass sie das haben Potenzial, aktuelle Verschlüsselungsalgorithmen zu entschlüsseln, wie die weit verbreitete RSA-Schema.

Eine Folge davon ist, dass die heutigen Verschlüsselungsprotokolle überarbeitet werden müssen, um künftigen Quantenangriffen standzuhalten. Diese Anerkennung hat zu einem aufkeimenden Bereich geführt Post-Quanten-Kryptographie. Nach einem langen Prozess hat das National Institute of Standards and Technology kürzlich vier quantenresistente Algorithmen ausgewählt und damit begonnen, sie so vorzubereiten, dass Organisationen auf der ganzen Welt sie in ihrer Verschlüsselungstechnologie verwenden können.

Darüber hinaus kann Quantencomputing die Quantensimulation erheblich beschleunigen: die Fähigkeit, das Ergebnis von Experimenten im Quantenbereich vorherzusagen. Berühmter Physiker Richard Feynman habe mir diese Möglichkeit vorgestellt vor mehr als 40 Jahren. Quantensimulation bietet das Potenzial für erhebliche Fortschritte in der Chemie und den Materialwissenschaften und hilft in Bereichen wie der komplexen Modellierung molekularer Strukturen für die Arzneimittelentwicklung und ermöglicht die Entdeckung oder Schaffung von Materialien mit neuartigen Eigenschaften.

Eine weitere Anwendung der Quanteninformationstechnologie ist Quantensensorik: Erfassen und Messen physikalischer Eigenschaften wie elektromagnetischer Energie, Schwerkraft, Druck und Temperatur mit höhere Empfindlichkeit und Präzision als Nicht-Quanteninstrumente. Quantensensorik hat unzählige Anwendungen in Bereichen wie Umweltüberwachung, geologische Erkundung, medizinische Bildgebung und Überwachung.

Initiativen wie die Entwicklung eines Quanten-Internet die Quantencomputer miteinander verbinden, sind entscheidende Schritte zur Verbindung der Quanten- und der klassischen Computerwelt. Dieses Netzwerk könnte mithilfe quantenkryptografischer Protokolle wie der Quantenschlüsselverteilung gesichert werden, was hochsichere Kommunikationskanäle ermöglicht, die vor Computerangriffen geschützt sind – einschließlich solchen, die Quantencomputer verwenden.

Trotz einer wachsenden Anwendungssuite für Quantencomputing, Entwicklung neuer Algorithmen, die den Quantenvorteil voll ausnutzen – insbesondere im maschinellen Lernen– bleibt ein kritischer Bereich der laufenden Forschung.

Kohärent bleiben und Fehler überwinden

Das Bereich Quantencomputing steht vor erheblichen Hürden bei der Hardware- und Softwareentwicklung. Quantencomputer reagieren äußerst empfindlich auf unbeabsichtigte Interaktionen mit ihrer Umgebung. Dies führt zum Phänomen der Dekohärenz, bei dem Qubits schnell in die 0- oder 1-Zustände klassischer Bits verfallen.

Der Aufbau groß angelegter Quantencomputersysteme, die das Versprechen einer Quantenbeschleunigung einlösen können, erfordert die Überwindung der Dekohärenz. Der Schlüssel liegt in der Entwicklung wirksamer Methoden Unterdrückung und Korrektur von Quantenfehlern, Ein Bereich, auf den sich meine eigene Forschung konzentriert.

Bei der Bewältigung dieser Herausforderungen sind zahlreiche Quantenhardware- und -software-Startups sind neben etablierten Akteuren der Technologiebranche wie Google und IBM entstanden. Dieses Brancheninteresse, gepaart mit erheblichen Investitionen von Regierungen weltweit, unterstreicht die gemeinsame Anerkennung des transformativen Potenzials der Quantentechnologie. Diese Initiativen fördern ein reichhaltiges Ökosystem, in dem Wissenschaft und Industrie zusammenarbeiten und so den Fortschritt auf diesem Gebiet beschleunigen.

Quantenvorteil rückt in Sicht

Quantencomputing könnte eines Tages genauso disruptiv sein wie die Einführung von generative KI. Derzeit befindet sich die Entwicklung der Quantencomputertechnologie an einem entscheidenden Punkt. Einerseits hat das Gebiet bereits erste Anzeichen dafür gezeigt, dass es einen eng spezialisierten Quantenvorteil erreicht hat. Forscher bei Google und später a Forscherteam in China demonstrierter Quantenvorteil zum Erzeugen einer Liste von Zufallszahlen mit bestimmten Eigenschaften. Mein Forschungsteam hat eine Quantenbeschleunigung nachgewiesen für ein Zufallszahlen-Ratespiel.

Andererseits besteht die konkrete Gefahr, dass in einen „Quantenwinter“ eintritt, eine Zeit reduzierter Investitionen, wenn in naher Zukunft keine praktischen Ergebnisse eintreten.

Während die Technologiebranche daran arbeitet, in naher Zukunft Quantenvorteile bei Produkten und Dienstleistungen zu erzielen, konzentriert sich die akademische Forschung weiterhin auf die Untersuchung der Grundprinzipien, die dieser neuen Wissenschaft und Technologie zugrunde liegen. Diese fortlaufende Grundlagenforschung, die von enthusiastischen Kadern neuer und kluger Studierender, wie ich sie fast täglich begegne, vorangetrieben wird, stellt sicher, dass sich das Fachgebiet weiter weiterentwickelt.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/11/17/what-is-quantum-advantage-the-moment-extremely-powerful-quantum-computers-will-arrive/