Quantencomputer arbeiten mit Lichtgeschwindigkeit, geben aber eine ungefähre Antwort
Ein Quantencomputer ist ein Produkt der Quantenwelt, das nach den Gesetzen der Quantenmechanik lebt, was auf den ersten Blick sehr seltsam erscheinen mag. Aber wir haben keine andere Wahl, als an die Gültigkeit dieser Gesetze zu glauben, da auf ihrer Grundlage heute viele Geräte um uns herum gebaut und betrieben werden - zum Beispiel Laser und Tomographen.
Eine der Hauptvorkehrungen, die man nicht anders als magisch nennen kann, ist das Superpositionsprinzip. Sie besteht in folgendem: Wenn ein subatomares Teilchen in mehreren Zuständen sein kann, dann befindet es sich in allen diesen Zuständen gleichzeitig. Am Beispiel des bekannten Elektrons lässt sich das Prinzip der Superposition leicht demonstrieren. Ein Elektron hat eine intrinsische Eigenschaft namens Spin. Ein Elektron kann sich in zwei Zuständen befinden – „spin up“(Spin Up) und „spin down“(Spin Down). Gemäß dem Superpositionsprinzip ist es gleichzeitig in beiden Zuständen, von denen jeder mit seiner eigenen Wahrscheinlichkeit vorhanden ist (diese Wahrscheinlichkeiten sind nicht unbedingt gleich, aber ihre Summe ist immer 1).
Unsere Lebenserfahrung legt nahe, dass es im umgebenden Makrokosmos keine Überlagerung gibt: Eine Tasse Kaffee ist immer entweder links oder rechts von dir und eine Tischlampe ist immer entweder an oder aus.
Ein weiteres seltsames Prinzip wirkt im Mikrokosmos - jede Messung an einem Teilchen wirkt sich irreversibel auf dieses aus: Die Überlagerung von Zuständen ist nur so lange möglich, bis die Messung durchgeführt wird. Sobald wir „wissen“, dass sich das Elektron beispielsweise im Zustand „spin up“befindet, verschwindet die Überlagerung.
Register
Gewöhnliche Computer speichern Informationen in Zellen, von denen jede entweder elektrisch geladen ist oder nicht. Jede solche Zelle entspricht der minimalen Informationseinheit - einem Bit. Das Bit kann Null oder Eins sein. Ein gutes Beispiel für einen Beat ist ein Sch alter, der eine Glühbirne einsch altet. Sein Wert ist entweder 0 (Lampe aus) oder 1 (Lampe an). In einem Quantencomputer ist das Analogon eines Bits ein Qubit (Quantenbit), das sich dank des Superpositionsprinzips gleichzeitig in zwei Zuständen befindet. Sowohl in klassischen als auch in Quantencomputern werden Bits oder Qubits zu Sequenzen – Registern – zusammengefasst. Ein gewöhnliches Zwei-Bit-Register kann 4 Werte speichern - 00, 01, 10 oder 11, aber jeweils nur einen davon. Aber im Zwei-Qubit-Register befinden sich alle 4 möglichen Werte gleichzeitig. (Im Allgemeinen „leben“alle möglichen 2n-Werte gleichzeitig in einem Register der Größe N Qubits.)
Und wie funktioniert es
Die Anfangsbedingungen werden eingestellt, indem die Qubits in die gewünschten Zustände versetzt werden. Wie in einem klassischen Computer folgt hier auf jeden Befehl eine Folge von logischen Operationen, die durch das Auftreffen auf Qubits umgesetzt werden (z. B. entspricht das „Umklappen“eines Spins durch Hochfrequenzpulse einer Negationsoperation in einem herkömmlichen Computer). Und das Lesen der Ergebnisse ist das „Lesen“des Zustands der Qubits.
Warum geht das so schnell
Nehmen wir an, Sie möchten eine Aktion für jede der 4 möglichen Zahlen in einem 2-Bit-Register auf einem normalen Computer ausführen. Das Lösen dieses Problems erfordert 4 Schritte, die nacheinander ausgeführt werden, da nur 1 von 4 möglichen Zahlen zu jedem Zeitpunkt in 2 gewöhnliche Bits geschrieben wird. Wir müssen sie nacheinander durchlaufen und die erforderliche Operation für jede ausführen. In einem Quantencomputer mit einem Register von 2 Qubits wird das Problem in einem Schritt gelöst, da die Aktion sofort auf alle Zahlen ausgeführt wird, die gleichzeitig im Register gespeichert sind. Dies wird als „Quantenparallelismus“bezeichnet. Es ist die Quantenparallelität, die es ermöglicht, einige Berechnungen viel effizienter durchzuführen als Berechnungen auf einem klassischen Computer.
Quantenalgorithmen
Die weitere Entwicklung hin zur Schaffung eines Quantencomputers zeigte, dass es trotz der Fruchtbarkeit der Idee von Qubits zu früh ist, um den Sieg zu feiern. Gerade die Quantenparallelität, die es ermöglicht, fantastische Leistungen zu erzielen, wirft auch neue Probleme auf: Das Ergebnis der Wirkung auf das Quantenregister, das uns interessiert, ist tatsächlich in der Überlagerung „versteckt“. Wenn Sie die Antwort nur „lesen“, stellt sich heraus, dass sie die „erste“aller möglichen ist (in einem System mit N Zuständen wird die richtige Antwort mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/N angezeigt). Außerdem wird beim "Lesen" die Überlagerung zerstört und das System für weitere Berechnungen ungeeignet. Und nur durch eine Neukonfiguration des Systems können Sie erneut versuchen, die richtige Antwort zu erh alten. Alle Geschwindigkeitsgewinne, die die Quantenparallelität bietet, gehen verloren!
Es stellte sich die Frage - wie kommt man schnell zu einem Ergebnis, das mit einer akzeptablen Wahrscheinlichkeit richtig ist? Der amerikanische Mathematiker Peter Shor hat sie 1994 als erster beantwortet. Er veröffentlichte eine Arbeit, in der er einen Quantenalgorithmus zum Faktorisieren einer großen Zahl (den Faktorisierungsalgorithmus) beschrieb. Die Operationen in diesem Algorithmus sind so gewählt, dass sich falsche Ergebnisse mit hoher Wahrscheinlichkeit aufheben und somit die Wahrscheinlichkeit einer richtigen Antwort steigt.
Warum brauchen wir Faktorisierung
Das auf den ersten Blick rein theoretische Faktorisierungsproblem hat eine wichtige praktische Anwendung. Tatsache ist, dass eines der heute gebräuchlichsten Public-Key-Verschlüsselungsverfahren – RSA – auf einer sehr einfachen Aussage aufbaut: Wenn Sie zwei Primzahlen (M und N) haben, dann ist die Berechnung ihres Produkts (K) kein Problem. Aber jetzt, da wir K kennen, ist das Finden von M und N eine Aufgabe, die heute nur durch direktes Aufzählen aller möglichen Zahlen gelöst werden kann. Und wenn M und N sehr große Primzahlen sind (größer als 100 Stellen), dann macht es die Leistungsfähigkeit (oder vielmehr die Schwäche) heutiger Computer unlösbar. Beispielsweise würde es viele tausend Jahre dauern, eine 250-stellige Zahl mit einem herkömmlichen Computer in Primfaktoren zu zerlegen. Das heißt, der Shor-Algorithmus ist eigentlich nichts anderes als ein Algorithmus zum Brechen von Chiffren. Damit war das ideale Einsatzgebiet eines Quantencomputers ermittelt – die Kryptographie.
Es wird gemunkelt, dass die US-amerikanische National Security Agency (NSA) unmittelbar nach der Veröffentlichung des Shor-Berichts ein Projekt zum Bau eines Quantencomputers gestartet hat, vergleichbar mit dem Projekt zur Herstellung einer Atombombe. Das ist durchaus wahrscheinlich – schließlich sind die Aufgaben der Kryptografie vor allem für Spezialdienste interessant, die eine Unmenge an Informationen angehäuft haben, die mit den bestehenden Methoden in absehbarer Zeit nicht entschlüsselt werden dürften.
Hindernisse
Also, die Idee ist konkretisiert, die Algorithmen sind erfunden, und auf dem Weg zu einem funktionierenden Quantencomputer bleiben nur noch technische Probleme: eine Implementierungsmethode und einen Weg zu wählen, Zustände zu verw alten und diese gesamte Struktur zuverlässig zu isolieren der Außenwelt, um den Einfluss zufälliger externer Faktoren zu vermeiden. Die letzte Aufgabe ist besonders schwierig, aber es besteht die Hoffnung, dass sie mit Hilfe moderner Technologien noch gelöst werden kann. Die Möglichkeit des Quantencomputings wurde bereits in mehreren Labors auf der ganzen Welt demonstriert.
Praxis
Die Ära der Rivalität zwischen Quanten- und klassischen Computern hat noch nicht begonnen, denn der Vorteil eines Quantencomputers macht sich erst bemerkbar, wenn er aus mindestens 1000 Qubits besteht. Heute sind Tausende außer Frage: Der Rekord gehört IBM, dem es gelungen ist, eine Sieben-Qubit-Maschine zu bauen.
Ein künstlich hergestelltes Molekül ist auf der vorherigen Seite abgebildet. Es besteht aus 5 Fluoratomen und 2 Kohlenstoffatomen und funktioniert wie ein Sieben-Qubit-Register. Atome können sich in den Zuständen „spin up“und „spin down“befinden. Die Spins werden durch Hochfrequenzimpulse gesteuert. Im Dezember 2001 verwendete IBM ihre Maschine, um die Zahl 15 herauszurechnen. Die Antwort „3 und 5“wurde von einem Kernspinresonanz-(NMR)-Instrument „gelesen“.
Keine Sorge, wenn die Antwort trivial erscheint. Bisher war niemand in der Lage, eine so komplexe Quantenberechnung durchzuführen: Während des Experiments wurde ein beispielloses Maß an Kontrolle von 7 Spins aufrechterh alten “, sagte Nabil Amer, ein Mitarbeiter des Forschungslabors, nach der Veröffentlichung der Ergebnisse. Und Projektleiter Professor Isaac Chuang vom Massachusetts Institute of Technology glaubt: „Unsere nächste Aufgabe ist es, den Quantencomputer in Produktion zu bringen.“
Was kommt als nächstes?
Nicht jeder teilt Chuangs Optimismus. Einige glauben, dass der Quantencomputer ein Spielzeug für Physiker bleiben wird, andere, dass dieses seltsame Gerät im wirklichen Leben nicht wirklich benötigt wird und der einzige Vorteil davon der Gewinn ist, viele Bücher zu veröffentlichen und wissenschaftliche Konferenzen abzuh alten.
Wenn ein Quantencomputer gebaut wird, werden die heutigen Public-Key-Verschlüsselungsverfahren nicht mehr effektiv sein. Wir können nur hoffen, dass uns in diesem Fall eine andere Anwendung der Quantenmechanik, die Quantenkryptografie, retten wird.
