In den Tiefen eines Kühlschranks, wo die Temperatur fast den absoluten Nullpunkt erreicht, verbirgt sich abgeschottet von der Außenwelt ein Quantencomputer. Viele sind davon überzeugt, dass ein solches Gerät der Schlüssel zur Zukunft ist und mit der Kraft seiner immensen Berechnungen unser Leben radikal verändern kann.
Bevor wir uns der Fantasie hingeben, wie sie unsere Welt verändern könnten, lohnt es sich, einen tieferen Blick auf die Physik hinter dem Quantencomputing zu werfen. Dies ist eine Einladung in eine mysteriöse Dimension, in der die Regeln unserer Welt nicht gelten: die Welt der Quantenmechanik.
In den 1980er Jahren suchte der bedeutende Physiker Richard Feynman nach dem Schlüssel zum Verständnis der Quantenwelt. Allerdings sind Quantensysteme äußerst schwer zu verstehen und viele ihrer Geheimnisse bleiben uns noch verborgen. Feynman stand vor einem Problem: Er konnte Quantenprozesse nicht direkt beobachten und beschloss, ein Modell davon zu erstellen.
Sein aktueller Computer war dieser Aufgabe jedoch nicht gewachsen. Mit zunehmender Partikelanzahl im Modell nahm die Rechenlast deutlich zu. Er erkannte, dass herkömmliche Computer für Quantencomputing einfach nicht schnell genug entwickeln konnten.
Doch dann erlebte er eine echte Offenbarung. Was wäre, wenn Sie ein Gerät erstellen würden, das auf Quantenelementen basiert? Ein solches Werkzeug, das nach den Gesetzen der Quantenphysik arbeitet, wäre ideal für die Erforschung der Quantenwelt. Und so wurde die Idee eines Quantencomputers geboren.
Damit stellte Feynman eine Verbindung zwischen der Quantenphysik und der Welt der Informatik her. Um die Prinzipien des Quantencomputings zu verstehen, müssen Sie dessen Quantenwesen verstehen. Und hier stoßen wir auf die Grundlage der Quantenphysik: Amplituden.
Stellen Sie sich vor, Sie werfen 20 Mal eine Münze und möchten wissen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass Sie „Kopf“ landen. Die klassische Wahrscheinlichkeit addiert einfach alle möglichen Ergebnisse dafür. Einfach und logisch, nicht wahr?
In der Quantenwelt ist jedoch alles anders. Wenn Sie sich ein subatomares Teilchen vorstellen, existiert es vor seiner Messung als Wellenwahrscheinlichkeit in einer Black Box – mit unzähligen möglichen Standorten. Die Quantenmechanik verändert unser Verständnis von Wahrscheinlichkeit. Und in dieser Veränderung liegt die Kraft des Quantencomputings. Amplituden und Wahrscheinlichkeiten hängen eng zusammen, sind aber nicht dasselbe. Ein wesentlicher und wichtiger Unterschied besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit immer zwischen 0 und 1 liegt.
Amplituden sind nicht nur Zahlen, sie sind komplexe Zahlen und sie unterliegen ihren eigenen Regeln. Bei der Bestimmung der Gesamtamplitude eines Ereignisses müssen die Amplituden aller möglichen Arten seiner Umsetzung berücksichtigt werden. In diesem Fall gibt es einen interessanten Punkt: Ein Teilchen kann sich auf einem Weg zu einem Punkt mit positiver Amplitude und auf einem anderen mit negativer Amplitude bewegen. Und wenn das passiert, können sich die Amplituden gegenseitig „aufheben“. Das Ergebnis ist der absolute Nullpunkt und das Ereignis wird nicht implementiert. Diese Amplituden bestimmen die Wahrscheinlichkeit, dass an einem bestimmten Punkt im Raum etwas vorhanden ist.
Im Zentrum der Quantenmechanik steht das Verständnis, dass die Welt durch Amplituden beschrieben wird. Wie sieht es mit Veränderungen im Laufe der Zeit aus? Dabei geht es auch um das Spiel der Amplituden, ihre lineare Transformation.
Wie nutzen Quantenmaschinen Amplituden, um Informationen zu manipulieren? Die Basis ihrer Welt ist das Qubit. Wenn Sie sich ein klassisches Computerbit vorstellen, das entweder 0 oder 1 sein kann, dann ist ein Qubit sein Quanten-„Bruder“.
Bits sind streng binär, während Qubits als subatomare Teilchen nach anderen Regeln arbeiten: Sie können 0, 1 oder eine lineare Kombination von 0 und 1 sein. Diese Fähigkeit von Qubits, Zustände zu „mischen“, ist die Grundlage des Quantencomputings. Bis Sie ein Qubit messen, befindet es sich in einer Überlagerung – einem Zustand zwischen 0 und 1. Durch die Überlagerung können Quantencomputer Daten viel effizienter speichern und verarbeiten als ihre klassischen Gegenstücke.
Wenn sich mehrere Qubits in einem speziellen Zustand befinden, der Superposition genannt wird, tritt zwischen ihnen ein überraschendes Phänomen auf – die Quantenverschränkung . Das bedeutet, dass die Ergebnisse ihrer Messungen auf komplexe mathematische Weise miteinander verknüpft sind.
Mit „Quantenverschränkung“ meinen wir besondere Verbindungen in einem Quantensystem, die sich von den gewöhnlichen Verbindungen unserer Welt unterscheiden. Stellen Sie sich ein Buch vor: Einzelne Seiten haben keine Bedeutung, die Informationen liegen in den Verbindungen zwischen ihnen verborgen. Um ein solches Buch zu „lesen“, muss man sich mehrere Seiten gleichzeitig ansehen.
Allerdings ist die Beschreibung stark verschränkter Zustände mithilfe bekannter Bits keine leichte Aufgabe. Nehmen wir an, Sie haben einen einfachen 10-Qubit-Computer. Es ist in der Lage, 2^10 verschiedene Werte gleichzeitig zu verarbeiten. Einen verschränkten Zustand auf einem normalen Computer zu beschreiben, ist keine leichte Aufgabe. Ein 500-Qubit-System würde so viele Daten erfordern, wie es Atome im gesamten bekannten Universum gibt. Feynman verstand dies, indem er auf die Grenzen klassischer Computer bei der Simulation von Quantenphänomenen hinwies .
Ein Quantencomputer wird erst dann nützlich, wenn er Daten von Qubits empfängt. Es gibt jedoch ein Problem: Bei der Messung „kollabiert“ das Quantensystem in einen gewöhnlichen Zustand. Es ist, als würde man ein Qubit fragen: „Sind Sie 0 oder 1?“ – und lass es entscheiden. Wenn diese Informationen beispielsweise durch Strahlung aus dem Computer gelangen, wirkt sie sich auf das Qubit aus, als würde es gemessen. Bei der Beobachtung eines Systems verwandeln sich unsere Quantenamplituden in einfache Wahrscheinlichkeiten. Um eine spezifische Antwort von einem Quantensystem zu erhalten, die nicht nur zufällig ist, muss man Interferenz nutzen.
Interferenz ist ein in der klassischen Physik bekanntes Phänomen. Wie zum Beispiel Wellen in einem Becken, von denen eine über der Oberfläche und die andere unter der Oberfläche liegt und sich gegenseitig neutralisiert. Bei der Addition der Amplituden entstehen Interferenzen.
Wenn ein Ereignis in einem Fall mit einer Amplitude von der Hälfte und in einem anderen Fall mit einer Amplitude von minus der Hälfte auftreten kann, ist die resultierende Amplitude Null. Dieser Punkt wird im berühmten Doppelspaltbildschirm-Experiment veranschaulicht. Sie schließen einen der Wege und plötzlich geschieht ein Ereignis, das zuvor unmöglich war. Dies ist ein Quantenalgorithmus in Aktion. Wissenschaftler nutzen Interferenz, um eine Folge von Toren für Qubits zu erzeugen. Diese Qubit-Gatter bewirken, dass sich die Amplituden so addieren, dass die Wahrscheinlichkeit, die richtige Antwort zu erhalten, steigt.
Glauben Sie, dass es möglich ist, die richtige Antwort zu finden, ohne es vorher zu wissen? Quantenalgorithmen sind ein komplexes Gebiet, das seit Jahrzehnten untersucht wird. Seit 1994 hat die Welt eine Reihe von Durchbrüchen bei Quantenalgorithmen erlebt. Dies könnte die gesamte Cybersicherheits- und Suchoptimierungsbranche verändern.
Experten sagen, dass der wahre Zweck von Quantencomputern darin besteht, uns zu helfen, die Tiefenstruktur des Universums zu verstehen. Diese neue Ära der Physik ist aufregend! Werden Quantentechnologien in den kommenden Jahren nur Gewinn bringen oder unsere Welt revolutionieren? Die Antwort steht noch aus. Aber eines ist klar: Die Zukunft des Quantencomputings steckt voller unerforschter Möglichkeiten.
