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Quantencomputing verarbeitet Daten nach quantenmechanischen Prinzipien. Daher erfordert Quantencomputing einen anderen Ansatz als klassisches Computing. Der in Quantencomputern verwendete Prozessor ist ein Beispiel für diese Unterscheidung.
Während herkömmliche Computer siliziumbasierte Prozessoren verwenden, verwenden Quantencomputer Quantensysteme wie Atome, Ionen, Photonen oder Elektronen. Sie verwenden Quantenmerkmale, um Bits darzustellen, die in verschiedenen Quantenüberlagerungen von 1 und 0 erzeugt werden können.
Was genau bedeutet der Begriff „Quanten“ in diesem Zusammenhang? Ist es ein bedeutender Sprung?
Der Begriff Quantum leitet sich vom lateinischen Wort Quantum ab, was „Menge“ bedeutet. In der Physik ist es eine „diskrete Energiemenge, die in ihrer Größe proportional zur Frequenz der Strahlung ist, die sie darstellt“. Diskret bezieht sich auf etwas, das weder kontinuierlich noch eindeutig ist. Quantum bezieht sich in diesem Sinne auf einzigartige oder signifikante Mengen.
Was ist Quantencomputer?
Quanten-Computing verwendet algebraische Methoden, um Algorithmen für Berechnungen zu konstruieren, die oft mit denen in der Quantenphysik identisch oder ähnlich sind. Die Quantenmechanik wiederum bezieht sich auf eine grundlegende physikalische Theorie, die in die Erklärung der physikalischen Eigenschaften der Natur in der Größe von Atomen und subatomaren Teilchen eintaucht.
A Quantencomputer ist somit ein hypothetischer Computer, der solche Algorithmen implementieren kann. Daher basieren Quantencomputer grundsätzlich auf Quantenbits, auch Qubits genannt, die aus einem einzelnen Elektron entstehen können.
Das Quantenmaterial verhält sich gemäß den Regeln der Quantenmechanik und verwendet Begriffe wie Wahrscheinlichkeitsrechnung, Überlagerung und Verschränkung. Diese Ideen dienen als Grundlage für Quantenalgorithmen, die die Fähigkeiten von Quantencomputern nutzen, um komplizierte Probleme anzugehen.
In diesem Artikel werde ich alles diskutieren, was Sie über Quantenverschränkung wissen müssen.
Was ist Quantenverschränkung?
Quantenverschränkung tritt auf, wenn zwei Systeme so eng miteinander verbunden sind, dass das Wissen um das eine Ihnen unmittelbares Wissen über das andere gibt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.
Wissenschaftler wie Einstein waren verblüfft über dieses Phänomen, das er als „gruselige Fernwirkung“ bezeichnete, da es gegen die Regel verstieß, dass keine Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit gesendet werden können. Zusätzliche Experimente mit Photonen und Elektronen bestätigten jedoch die Verschränkung.
Verschränkung ist der Eckpfeiler des Quantencomputings. Quantenverschränkung in der Physik bezieht sich auf eine sehr starke Verbindung zwischen Quantenteilchen. Diese Verbindung ist so stark, dass zwei oder mehr Quantenteilchen unaufhaltsam verbunden werden können, obwohl sie durch enorme Entfernungen getrennt sind.
Um dies besser zu verstehen, betrachten Sie einen einfachen Vergleich, der nichts mit Physik oder Computern zu tun hat. Überlegen Sie, was passieren würde, wenn nicht eine, sondern zwei Münzen geworfen würden. Ob eine Münze auf Kopf oder Zahl fällt, hat normalerweise wenig Einfluss auf das Ergebnis des zweiten Münzwurfs.
Im Fall der Verschränkung sind jedoch beide Teile verbunden oder verschränkt, unabhängig davon, ob sie physisch getrennt sind. Wenn in diesem Fall eine Münze auf Kopf fällt, zeigt die zweite Münze ebenfalls Kopf und umgekehrt.
Quantenverschränkung verstehen (mit Beispiel)
Quantenverschränkung ist in der Tat eine Situation, in der zwei Systeme (typischerweise Elektronen oder Photonen) so eng miteinander verbunden sind, dass die Erfassung von Informationen über den „Zustand“ eines Systems (die Richtung des Elektronenspins, sagen wir „Up“) sofortiges Wissen über den des anderen Systems liefern würde „Zustand“ (die Richtung des Spins des zweiten Elektrons, sagen wir „unten“), unabhängig davon, wie weit diese Systeme voneinander entfernt sind.
Die Ausdrücke „sofort“ und „unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind“ sind signifikant. Dieses Phänomen hat Wissenschaftler wie Einstein verwirrt, da der Zustand erst definiert wird, wenn er gemessen wird, und die Informationsübertragung der klassischen physikalischen Regel widerspricht, dass Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können.
Dank Forschung und Tests, die in den 1980er Jahren begannen, wurde jedoch seit den 1980er Jahren nachgewiesen, dass die Verschränkung sowohl Photonen als auch Elektronen verwendet.
Zwei subatomare Teilchen (Elektronen) können so erzeugt werden, dass sie durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden können. Die Verschränkung kann in einem Verfahren erreicht werden, indem zugelassen wird, dass ein Elternteilchen mit null Spins in zwei verschränkte Tochterteilchen mit gleichen, aber entgegengesetzten Spins zerfällt.
Wenn zwei Tochterteilchen mit nichts interagieren, bleiben ihre Wellenfunktionen gleich und entgegengesetzt, egal wie weit sie voneinander entfernt gemessen werden. Wissenschaftler stellten durch Tests fest, dass der Zeitpunkt der Verschränkung keinen Einfluss auf die Informationen hatte.
Stattdessen werden Informationen nur dann mit einer Geschwindigkeit, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist, an das andere Teilchen gesendet, wenn die Informationen eines Teilchens gemessen werden.
Infolgedessen fließen Informationen in diesem Tempo. Aber wir haben keine Kontrolle darüber – dieser Mangel an Kontrolle schränkt die Verwendung der Quantenverschränkung ein, wie z. B. das Senden einer Nachricht oder anderer Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.
Welche Rolle spielt Verschränkung beim Quantencomputing?
Das Ändern des Zustands eines verschränkten Qubits ändert sofort den Zustand des gepaarten Qubits in Quantencomputern. Infolgedessen beschleunigt die Verschränkung die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Quantencomputern.
Da die Verarbeitung eines Qubits Informationen über zahlreiche Qubits preisgibt, erhöht die Verdopplung der Anzahl der Qubits nicht unbedingt die Anzahl der Prozesse (dh der verschränkten Qubits).
Studien zufolge ist Quantenverschränkung erforderlich, damit ein Quantenalgorithmus eine exponentielle Beschleunigung gegenüber klassischen Berechnungen liefert.
Verschränkungsanwendungen im Quantencomputing
Mehrere Anwendungen können von dieser einzigartigen physikalischen Eigenschaft profitieren, die unsere Gegenwart und Zukunft verändern wird. Quantenverschlüsselung, superdichte Codierung, vielleicht schneller als Lichtübertragung und sogar Teleportation könnten alle durch Verschränkung ermöglicht werden.
Quantencomputer haben das Potenzial, zeit- und leistungsintensive Herausforderungen in einer Vielzahl von Branchen zu bewältigen, darunter das Finanz- und Bankwesen.
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, das solchen Computern helfen könnte, indem es die Zeit und Rechenleistung reduziert, die für die Verarbeitung des Datenflusses zwischen ihren Qubits erforderlich sind.
1. Quantenkryptographie
Bei der klassischen Kryptographie verschlüsselt der Sender die Nachricht mit einem Schlüssel, während der Empfänger sie mit dem gemeinsamen Schlüssel entschlüsselt. Es besteht jedoch die Gefahr, dass ein Dritter Kenntnis von den Schlüsseln erlangt und die Kryptografie abfangen und unterlaufen kann.
Die Schaffung eines sicheren Kanals zwischen den beiden Parteien ist der Grundstein für eine unzerbrechliche Kryptografie. Verstrickungen können dies verursachen. Da die beiden Systeme miteinander verflochten sind, sind sie miteinander korreliert (wenn sich eines ändert, ändert sich auch das andere), und kein Dritter wird diese Korrelation teilen.
Auch die Quantenkryptographie profitiert vom No-Cloning, was bedeutet, dass es unmöglich ist, eine identische Kopie eines unbekannten Quantenzustands zu erzeugen. Infolgedessen ist es unmöglich, Daten zu replizieren, die in einem Quantenzustand codiert sind.
Mit einer undurchdringlichen Quantenschlüsselverteilung wurde bereits die Quantenkryptographie realisiert (QKD). QKD verwendet zufällig polarisierte Photonen, um Informationen über den Schlüssel zu übermitteln. Der Empfänger entschlüsselt den Schlüssel mithilfe von Polarisationsfiltern und der Technik, mit der die Nachricht verschlüsselt wird.
Die geheimen Daten werden immer noch über Standardkommunikationsleitungen übertragen, aber nur der exakte Quantenschlüssel kann die Nachricht entschlüsseln. Da das „Lesen“ der polarisierten Photonen ihren Zustand ändert, warnt jedes Abhören die Kommunikatoren vor dem Eindringen.
Die QKD-Technologie wird derzeit durch Glasfaserkabel eingeschränkt, die ein Photon für etwa 100 km liefern können, bevor es zu schwach für den Empfang wird. 2004 fand die erste verstrickte QKD-Banküberweisung in Österreich statt.
Sicherzustellen, dass die Übertragung unzerbrechlicher und manipulationssicherer Kommunikation, die auf der Grundlage physikalischer Prinzipien nachweislich sicher ist, offensichtliche Anwendungen in den Bereichen Finanzen, Bankwesen, Militär, Medizin und anderen Sektoren hat. Mehrere Unternehmen verwenden jetzt verschränkte QKD.
2. Quantenteleportation
Quantenteleportation ist auch die Methode zur Übertragung von Quanteninformationen zwischen zwei Parteien, wie Photonen, Atomen, Elektronen und supraleitenden Schaltkreisen. Untersuchungen zufolge können QCs durch Teleportation parallel betrieben werden, während sie weniger Strom verbrauchen, wodurch der Stromverbrauch um das 100- bis 1000-fache gesenkt wird.
Die Unterscheidung zwischen Quantenteleportation und Quantenkryptographie ist wie folgt:
- Austausch der Quantenteleportation Über einen klassischen Kanal werden „Quanten“-Informationen gesendet.
- Austausch der Quantenkryptografie Über einen Quantenkanal werden „klassische“ Informationen versendet.
Der Energiebedarf von Quantencomputern erzeugt Wärme, was eine Herausforderung darstellt, da sie bei so niedrigen Temperaturen betrieben werden müssen. Teleportation hat das Potenzial, zu Designlösungen zu führen, die die Entwicklung von Quantencomputern beschleunigen werden.
3. Biologisches System
Der menschliche Körper verändert sich wie alle Lebewesen ständig durch das Zusammenspiel von Millionen chemischer und biologischer Prozesse. Bis vor kurzem wurde davon ausgegangen, dass sie linear sind, wobei „A“ zu „B“ führt. Quantenbiologie und Biophysik haben jedoch eine große Menge an Kohärenz innerhalb biologischer Systeme aufgedeckt, wobei QE eine Rolle spielt.
Die Art und Weise, wie die verschiedenen Untereinheiten von Proteinstrukturen zusammengepackt sind, wurde entwickelt, um eine anhaltende Quantenverschränkung und -kohärenz zu ermöglichen. Die Quantenbiologie ist immer noch ein theoretisches Thema mit verschiedenen unbeantworteten Bedenken; Wenn sie angesprochen werden, werden Anwendungen in der Medizin immer sichtbarer.
Theoretisch könnte Quantencomputing der Natur (durch Simulation von Atombindungen) und quantenbiologischen Systemen besser ähneln als klassischen Computern.
4. Superdichte Codierung
Superdichte Codierung ist die Methode zur Übertragung von zwei herkömmlichen Informationsbits mit einem einzigen verschränkten Qubit. Superdichter Code kann:
- Ermöglicht dem Benutzer, die Hälfte dessen, was zum Rekonstruieren einer klassischen Nachricht erforderlich ist, im Voraus zu senden, sodass der Benutzer mit doppelter Geschwindigkeit kommunizieren kann, bis die vorab bereitgestellten Qubits aufgebraucht sind.
- Die Kapazität eines Zwei-Wege-Quantenkanals in einer Richtung wird verdoppelt.
- Wandeln Sie Bandbreite mit hoher Latenz in Bandbreite mit niedriger Latenz um, indem Sie die Hälfte der Daten über den Kanal mit hoher Latenz übertragen, um die über den Kanal mit niedriger Latenz eingehenden Daten zu unterstützen.
Jede Generation der Kommunikation hat nach mehr Datenübertragung verlangt. Ein vergleichbarer Informationsgewinn wird mit Superdense Coding möglich sein.
Zusammenfassung
Die Quantenverschränkung könnte es uns ermöglichen, auf bisher unvorstellbare Weise mit Daten zu arbeiten. Durch die Integration von Quantencomputing mit Verschränkung werden wir in der Lage sein, Probleme, die eine riesige Datenmenge erfordern, effizienter und sicherer zu beantworten.
Mit der Hinzufügung biologischer und astronomischer Anwendungen könnte QE verwendet werden, um die Fragen zu beantworten, über die Menschen lange nachgedacht haben: Woher kommen wir und wie hat alles begonnen?
Je weiter die Technologie voranschreitet, desto mehr Anwendungen werden wir dafür finden – sie ist enorm vielversprechend!
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