Quantencomputer erklärt (wie Sie sind ein 5-jähriger)

Das Konzept des "Quantencomputers", das kürzlich virulent wurde - dank eines gewissen Premierministers - ist eines der vielen unerforschten Territorien der Wissenschaft von uns nicht-wissenschaftlichen Peeps .

Der Grund, warum die meisten von uns trotz Jahrzehnten noch nichts davon gehört haben, ist, dass es größtenteils theoretisch ist und diejenigen, die am Anfang damit experimentierten, waren aufgrund der Notwendigkeit sehr schweigsam für das Militär- und Geschäftsgeheimnis.

Nichtsdestotrotz wissen wir jetzt, dass eine Kombination aus Quantenmechanik und Datenverarbeitung existiert und dass dies plötzlich in jedermanns Interesse liegt. Wenn Sie nicht wissen, was ein Quantencomputer ist, aber nicht aus der Schleife gelassen werden wollen, lesen Sie weiter, um herauszufinden, warum es besser ist als die traditionellen Computer, mit denen wir heute arbeiten.

Von traditionellen Computern und Bits

Computer sind meist digital-elektronisch und interagieren mit Daten, die in Binärziffern dargestellt werden, die als Bits (Nullen und Nullen) bezeichnet werden. Sei es Bilder, Text, Audio oder andere Daten - alles ist in Bits gespeichert.

Physikalisch können die Binärzahlen 0 und 1 unter Verwendung einer beliebigen Zwei-Zustands-Entität wie einer Münze (Kopf und Schwanz) oder eines Schalters (ein oder aus) dargestellt werden. In Computern sind Bits das Vorhandensein oder Fehlen von Spannung (1 oder 0) oder die Änderung oder Erhaltung der magnetischen Richtung in magnetischen Festplatten.

Daten werden manipuliert, indem die gespeicherten Bits berechnet werden . Die Berechnung erfolgt durch logische Gatter, die typischerweise aus Transistoren bestehen, die den Durchgang des elektronischen Signals steuern. Wenn es das Signal durchlässt, ist es das Bit 1 und wenn das Signal abgeschnitten ist, ist es 0.

Die Grenzen der Transistoren

Mit der immer kleiner werdenden Chipgröße und der wachsenden Anzahl von Komponenten können elektronische Geräte mit Millionen von Transistoren ausgestattet sein, die nur 7 nm groß sein können (das ist 1000 mal kleiner als ein rotes Blutkörperchen und nur 20 mal größer als einige Atome).

Die Größe der Transistoren kann weiter schrumpfen, aber schließlich werden sie eine physikalische Grenze erreichen, wo Elektronen nur durch sie hindurch tunneln und es keine Kontrolle über den elektronischen Signalfluss geben wird.

Für den ständig wachsenden Bedarf an leistungsfähiger Berechnung und kleineren Vorrichtungen ist eine Größenbeschränkung für eine grundlegende elektronische Komponente ein Fortschrittsbegrenzer . Wissenschaftler suchen nach neuen Wegen, die weniger Zeit und Raum für die Berechnung und Speicherung von Daten benötigen, und eine der Möglichkeiten, die wir nutzen können, ist das Quantencomputing.

Qubits, Superposition und Verschränkung

Quantum Computing verwendet Qubits anstelle von Bits, um Daten darzustellen. Qubits werden mit Quantenteilchen wie Elektronen und Photonen dargestellt .

Quantenteilchen besitzen Eigenschaften wie Spin und Polarisation, die zur Darstellung von Daten verwendet werden können. Zum Beispiel kann ein aufwärts drehendes Qubit 1 und abwärts 0 sein.

Aber die Macht des Quantencomputers kommt von der Tatsache, dass Qubits im Gegensatz zu Bits, die entweder 1 oder 0 sind, gleichzeitig 1 und 0 sein können, aufgrund einer Eigenschaft, die Superposition genannt wird, wo Quantenteilchen in mehreren Zuständen gleichzeitig sind.

Dies erhöht die Rechenleistung von Qubit, da es während der Berechnung sowohl für 1 als auch für 0 verwendet werden kann und am Ende, wenn es einmal gemessen wurde, entweder 1 oder 0 wird.

Die Superpositionseigenschaft lässt sich leicht durch ein berühmtes Gedankenexperiment erklären, das der österreichische Physiker Schrödinger an einer imaginären Katze durchführte.

In der Quantenwelt gibt es auch eine andere Eigenschaft, die bei der Berechnung der Quantenverschränkung ausgenutzt werden kann. Es bezieht sich im Wesentlichen auf Eigenschaften der Quantenteilchen, die sich verschränken und voneinander abhängig werden und daher nicht getrennt voneinander verändert werden können.

Sie agieren wie ein einzelnes System mit einem Gesamtzustand.

Nehmen wir an, 2 Qubits unterziehen sich einer Verschränkung, wenn sich der Zustand eines Qubits ändert, ändert sich auch der andere. Dies führt zu einer echten parallelen Verarbeitung oder Berechnung, die die Rechenzeit im Vergleich zu herkömmlichen Computern erheblich verkürzen kann.

Schwierigkeiten und Nutzen

Es gibt viele praktische Hürden, die von den Wissenschaftlern und Ingenieuren überwunden werden müssen, wie zum Beispiel eine kontrollierte Umgebung für die Qubits zu schaffen und Wege zu finden, ihre Eigenschaften zu manipulieren, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Aber wenn endlich Quantencomputer mit hoher Rechenleistung erstellt sind, können sie verwendet werden, um Probleme zu lösen, die ansonsten von traditionellen Computern sehr lange dauern würden.

Das Finden von Primfaktoren großer Zahlen, das Problem des reisenden Verkäufers für eine große Anzahl von Städten und andere ähnliche Probleme erfordern eine exponentielle Anzahl von Vergleichen, um das Ergebnis s zu erhalten. Außerdem ist das Durchsuchen kolossaler Datenbanken immer noch ein sehr zeitaufwendiger Vorgang für selbst aktuelle digitale Computer.

Diese Probleme können mit Quantencomputern gelöst werden, die Probleme lösen können, die in herkömmlichen Computern in wenigen Minuten Jahrhunderte dauern können.

(H / T: IBM)