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Quantum computing
Aus dem Unterricht des CAS Disruptive Technologies mit Marcel Blattner berichtet Martin Naegeli:
Aktuell gibt es noch keine Quantencomputer, da das Thema nach wie vor im Laborstatus ist. Verlassen wir uns auf die Prognosen gemäss Gartner‘s Hype Ciycle 2016, dauert es noch über 10 Jahre, bis Quantencomputer erhältlich sind.
Einige Fakten zum Thema Quantencomputer und Quantenmechanik:
- Richard Feynmann (1918-1988) hat 1982 den Terminus „Quantum Computing“ erfunden.
- David Deutsch (1952-heute) hat beschrieben was ein Quantencomputer können könnte.
- Im Gegensatz zur heute bekannten klassischen Physik ist Quantenphysik komplett anders:
- Klassische Physik: galt bis 1900, ist intuitiv, erfahrbar und deterministisch (Ursache ó Wirkung, Zeit etc.)
- Quantenphysik: gilt ab 1900, ist mit Sprache / Bilder nicht beschreibbar oder erfassbar => ist nur mit Mathematik erklärbar (beispielsweise geben die fundamentalen physikalischen Gesetze der Quantenmechanik keinen Zeitpfeil vor; Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft sind auf diesem Level nicht unterscheidbar).
- Bereits heute basieren viele technische Errungenschaften auf der Quantenmechanik. Man kann Berechnungen durchführen, versteht die Funktionsweise aber noch nicht wirklich.
- Quantenphysik beschreibt die Welt aus mikroskopisch kleiner Sicht, daher auf atomarer Ebene und kleiner.
Zur Veranschaulichung der Grössenordnungen folgendes Video: https://www.youtube.com/watch?v=XRdh8gmVR90&feature
Atome sind „unfassbar“ klein und dennoch besteht ein Atom faktisch aus nichts.
Wenn der Kern des Atoms die Grösse des Kopfs einer Stecknadel hat, so ist das Fussballfeld das Elektronenfeld.
Das Wissen über Atome wird oft falsch dargestellt oder vermittelt, denn im Atom braucht es noch eine Kraft, die das Atom zusammen hält. Andernfalls müsste das Atom „auseinanderfallen“, weil Protonen positiv geladen und Neutronen neutral sind und dies in der Summe zu einem Überschuss führt.
Bild, welches das Wesen eines Atoms besser widergibt:
Grenzen der heutigen Speichertechnologie:
Miniaturisierung folgt Gesetz
Durch den Umstand, dass alles immer kleiner gemacht wird, ergeben sich kürzere Wege und somit braucht es weniger Zeit, die Wege zurückzulegen, wodurch die Leistung in Form von Speicherkapazität und Geschwindigkeit steigt.
Grenze
Leiterbahnen können nicht x-beliebig nahe aneinander gebaut werden, da die Elektronen von einer Bahn in die Andere springen können. Die maximale Miniaturisierung (Schranke) wird ca. im Jahr 2020 erreicht. Kleiner wird dann aufgrund des Abstands der Leiterbahnen nicht mehr möglich sein.
Sofern wir aufgrund der anhaltend steigenden Datenvolumen nicht an Geschwindigkeit verlieren wollen, braucht es alternative Technologien wie beispielsweise einen Quantencomputer, der potenziell enorm grossen Datenvolumen schnell verarbeiten kann.
Quantenmechanik:
Beispiel mit Elektronenkanone
Mit Elektronen wird aus einer Kanone durch 2 Schlitze geschossen:
- Wenn das Experiment beobachtet wird entstehen 2 Streifen an der Wand, da sich die Elektronen für einen der beiden Schlitze entscheiden (müssen)
- Wenn das Experiment nicht beobachtet wird, entstehen mehrere Aufschlagmuster, da sich die Elektronen alle erdenklichen Wege suchen (Interferenz)
Eigenschaft der Interferenz: Die Teilchen verhalten sich wie eine Welle wenn sie nicht beobachtet werden. Daraus resultieren alle erdenklichen Möglichkeiten, die die Natur vorgesehen hat.
Es ist heute nicht klar, weshalb die Resultate unterschiedliche ausfallen; „es macht fast den Anschein, dass die Natur nicht beobachtet werden möchte“.
Quantencomputer:
Die Funktionsweise eines Quantencomputers geht aus nachfolgendem Video eindrücklich hervor: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28&feature=youtu.be
Kurz zusammengefasst:
Heutige Computer müssen sich für einen Weg entscheiden, beispielsweise zwischen 0 und 1. Im Gegensatz dazu können Quantencomputer gleichzeitig beide Wege einschlagen. Die folgende Grafik veranschaulicht dies auf vereinfachte Art und Weise:
Klassischer Computer:
Quantencomputer:
Superposition:
Jedes Elektron hat einen Spin. Der Spin definiert in welche Richtung das Elektron dreht (rauf oder runter). Bei Quantencomputern dreht es gleichzeitig in beide Richtungen und darüber hinaus auch in jeder erdenklichen Variante, beispielsweise zu 99% in die eine und zu 1% in die andere Richtung. Es finden gleichzeitig sämtliche Variationen statt.
Man kann dadurch alle möglichen Berechnungen gleichzeitig machen und ein Quantencomputer ist durch die Parallelität viel schneller.
Auf der anderen Seite müsste ein Quantencomputer enorm stark gekühlt werden, da Störfaktoren weitgehend eliminiert werden müssen. Es braucht eine Kühlung auf -270 Grad Celsius, daher nahe am absoluten Nullpunkt.
Einsatzgebiet Quantencomputer:
Beispiel: Wir suchen eine Datei in einer unsortierten Datenbank
Im schlimmsten Fall muss die Datenbank mit heutigen Computern n-Mal durchsucht werden. Mit einem Quantencomputer hingegen nur mit der Wurzel aus n-Mal.
Grundsätzlich gilt daher je Grösser die Datenmenge und je Grösser die erforderliche Rechenpower desto grösster der Nutzen eines Quantencomputers (im Quadrat).
Einsatzgebiet Cryptography:
Ein möglicher Einsatz in der Cryptography ist denkbar und geht aus folgendem Video hervor: https://www.youtube.com/watch?v=UiJiXNEm-Go