Klassische Computer übernehmen Quantenideen

Ein Drei-Qubit-Siliziumchip, der von IBM-Forschern entwickelt wurde, um eines Tages solche Chips mit Tausenden von Qubits zu entwickeln.

Eines Tages können Quantencomputer komplexe Optimierungsprobleme lösen, große Datenmengen schnell zerlegen und physikalische Experimente simulieren, für die jetzt Milliarden von Teilchenbeschleunigern erforderlich sind und lösen Sie viele andere Probleme, die heutigen Computern nicht zur Verfügung stehen. Es sei denn natürlich, sie können gebaut werden. Während technische Probleme nicht zulassen, dass sie auftreten, wenden Theoretiker die Ideen und Technologien des Quantencomputers an, um schwerwiegende und alte Probleme der klassischen Informatik, Mathematik und Kryptographie zu lösen.

"Es gibt viele Debatten darüber, ob Quantencomputer überhaupt jemals geschaffen werden", sagt Chris Peikert, Spezialist für Kryptographie und Informatik am Georgia Institute of Technology. "Aber dies ist eine Frage, und die zweite ist, ob Quantentechniken oder Algorithmen Ihnen helfen können, Probleme auf neue Weise zu lösen."

In jüngster Zeit haben Quantenideen Forschern geholfen, die Sicherheit vielversprechender Verschlüsselungstechnologien namens „Gitterkryptographie“ zu beweisen, deren Verwendung dazu beitragen kann, sensible Benutzerdaten wie ihre DNA auch vor Unternehmen zu verbergen, die diese Daten verarbeiten. Der Beweis durch Quantenberechnungen führte auch zur Formel für die Mindestlänge von Fehlerkorrekturcodes, die Daten vor Beschädigung schützen.

Quantenideen inspirierten viele wichtige Ergebnisse, wie die Widerlegung eines fehlerhaften Algorithmus, der angeblich das Problem der reisenden Verkäufer effektiv löste.

„Wenn dies einmal passieren würde, wäre es ein Zufall. Es gibt jedoch so viele Möglichkeiten, bei denen „Quantendenken“ zu Beweisen führt “, sagt Oded Regev, IT-Spezialist an der New York University.


Für die Datenverschlüsselung können Sie mehrdimensionale Gitter verwenden, deren Beweis mithilfe von Quantencomputern erbracht wurde

Dies hat einige Forscher dazu veranlasst, Quantencomputer nicht als esoterisches Gebiet der Informatik zu betrachten, sondern als Verallgemeinerung klassischer Berechnungen - genau wie Polygone eine Verallgemeinerung von Dreiecken sind. So wie Polygone eine beliebige Anzahl von Seiten haben können und Dreiecke nur drei, können Quantencomputer mit beliebigen Zahlen (positiv, negativ, real, imaginär) arbeiten, während klassische Computer nur echte positive Zahlen verwenden.

In einem allgemeineren Fall sind Quantenideen leistungsfähige Werkzeuge zur Lösung klassischer Rechenprobleme. "Es gibt mehrere klassische Probleme, die nichts mit der Quantenwelt zu tun haben. Am besten analysieren Sie sie jedoch, indem Sie sie auf die Quantenebene verallgemeinern, mithilfe der Theorie der Quanteninformation etwas beweisen und dann auf die klassische Ebene zurückskalieren", sagt Ronald de Wulf. Computertheoretiker am niederländischen Zentrum für Mathematik und Informatik.

Nach heutigen Schätzungen studieren nicht mehr als 5% der auf dem Gebiet der theoretischen Informatik tätigen Wissenschaftler Quantencomputer. Forscher sagen jedoch, dass die jüngsten Erfolge des „Quantendenkens“ zu einer Zunahme der Zahl der Theoretiker geführt haben, die Physik lernen wollen. "Diese erstaunlichen Ableger des Quantencomputers haben Wissenschaftler dazu gebracht, mithilfe der klassischen Informatik das Quantencomputing zu studieren", sagte Scott Aaronson, Informationstheoretiker am Massachusetts Institute of Technology.

Das Ziel des Quantencomputers ist es, das seltsame Verhalten von Partikeln auf Quantenskalen zu nutzen, um Berechnungen durchzuführen, die für gewöhnliche Computer unmöglich erscheinen. Ein typischer Computer speichert Informationsbits in Transistoren, die sich in der Art von Schaltern in einem von zwei Zuständen befinden können, die 1 oder 0 bezeichnen. Ein Quantencomputer speichert Informationsbits in subatomaren Teilchen, Elektronen oder Photonen, die in den Zuständen 1, 0 oder in Überlagerung existieren können beide, und sie können sich auch miteinander verwickeln, wodurch der Zustand eines Qubits den Zustand des anderen bestimmt.


3-Qubit-IBM-Chip

Überlagerung und Feinheiten zwingen Qubits dazu, sich ganz anders zu verhalten als Bits. Eine Zwei-Bit-Schaltung eines klassischen Computers kann sich in einem von vier Zuständen befinden (0,0; 0,1; 1,0; 1,1). Ein Paar Qubits kann eine Kombination von allen sein. Mit zunehmender Anzahl von Qubits wächst die Anzahl möglicher Zustände und damit das Volumen des im System enthaltenen Zustands exponentiell. Ein Quantencomputer mit mehreren hundert Qubits könnte Probleme schneller lösen als heutige Supercomputer.

Das einzige Problem ist, dass noch niemand einen Quantencomputer erstellen konnte, bei dem die Anzahl der Qubits die Anzahl der Finger überschreitet. Chris Lirakis, Physiker in der Gruppe der supraleitenden Quantenberechnungen bei IBM Research, erklärt, dass das verschränkte Qubit-System isoliert und auf nahe Null abgekühlt werden muss, damit es nicht zusammenbricht. Gleichzeitig müssen die Qubits etwa einen Zentimeter voneinander entfernt sein, damit die Operationen mit einem von ihnen die anderen nicht beeinträchtigen. Diese Einschränkungen machen Tausende von Qubit-Systemen zu groß, um in Kühlschränke zu passen, die die richtige Temperatur aufrechterhalten können.

„Sie müssen viele sehr schwerwiegende technische Probleme lösen, um dieses System skalierbar zu machen“, sagt Lirakis. "Alle Probleme sind Tauziehen."

Regev, der mit Pakert zusammengearbeitet hat, um die Sicherheit der Kryptographie auf Gittern durch Quantenprinzipien zu beweisen, hofft, den Aufbau von Quantencomputern zu Lebzeiten zu sehen. "Aber der Quantenansatz hat alles so sehr beeinflusst, dass ich nicht sehr verärgert wäre, selbst wenn niemand jemals einen Quantencomputer bauen könnte", sagt er.

Mit der zunehmenden Popularität der Quantentechnologie kann man erwarten, dass immer mehr klassische Probleme gelöst werden. "Diese Ergebnisse haben mich überzeugt, dass Informatiker sie schließlich erfinden würden, um Probleme zu lösen, selbst wenn es im Universum keine Quantenmechanismen gäbe."

Source: https://habr.com/ru/post/de398365/