Quanten-Syteme Wie funktionieren eigentlich diese zukünftigen Supercomputer ? Quanten - Katastrophe NSA versucht, Quantencomputer zu bauen, der die meisten Arten der Verschlüsselung knacken könnte Das "Quanten - Internet Stand der gegenwärtig angewendeten Quantencomputer Anwendungen oder Applikationen aus bekanntgewordenen Bereichen Der ständige Kampf zwischen Quantenphysik und klassische Computer "Quanten-apokalypse":Sind neue Computer eine Bedrohung für unsere Lebensweise?

Der ständige Kampf zwischen Quantenphysik und klassische Computer

Josef Bsharah/ Magazin Quanten
Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass das Potenzial – und die Grenzen — von Quantum computing Hardware kommen muss. Im digitalen Zeitalter haben wir daran gewöhnt, Kennzeichnung Fortschritte in der Taktfrequenz und Speicher. Ebenso haben die 50-Qubit Quantum Maschinen kommen jetzt von den gleichen von Intel und IBM online-Vorhersagen, dass wir uns nähern "Quantum Vorherrschaft"inspiriert – eine nebulöse Grenze wo Quantencomputer beginnen, Dinge über die Fähigkeit zu tun der klassische Maschinen.
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Originalgeschichte Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Quanten-Magazin, eine redaktionell unabhängige Publikation der Simons Stiftung deren Aufgabe ist es, öffentliche Verständnis von Wissenschaft zu verbessern durch Entwicklungen in der Forschung abdecken und Trends in der Mathematik und der physischen und Life Sciences.
Quanten-Vorherrschaft ist aber kein einziges, fegen Sieg anzustreben – ein breites Rubikon überschritten werden – sondern eher eine langwierige Reihe von kleinen Duellen. Es werden etablierte Problem durch Problem Quanten-Algorithmus im Vergleich zu klassischen Algorithmus. "Fortschritt ist mit Quantencomputer, nicht nur um Geschwindigkeit,", sagte Michael Bremner, ein Quanten-Theoretiker an der University of Technology Sydney. "Es ist viel mehr über die Komplexität der Algorithmen im Spiel."
Paradoxerweise sind Berichte über leistungsstarke Quantum Berechnungen motivierende Verbesserungen zu klassischen, so dass es schwieriger für Quantum-Maschinen, um einen Vorteil zu verschaffen. "Die meiste Zeit, wenn Menschen reden, Quanten-computing, klassischen computing wird abgewiesen, wie etwas, das hinter seiner höchsten Vollkommenheit ist", sagte Cristian Calude, ein Mathematiker und Informatiker an der University of Auckland in Neuseeland. "Aber das ist nicht der Fall. Dies ist eine laufende Wettbewerb."
Und die Torpfosten verschieben sich. "Wenn es darum geht zu sagen, wo die Vorherrschaft-Schwelle ist, hängt wie gut die besten klassischen Algorithmen sind," sagte John mehreren, ein theoretischer Physiker am California Institute of Technology. "Wie sie besser werden, haben wir die Grenze zu bewegen."
"Es sieht nicht So einfach"
Bevor der Traum eines Quantencomputers Form in den 1980er Jahren nahm, nahm die meisten Informatiker für selbstverständlich, dass klassische computing war alles da war. Das Feld Pioniere hatten überzeugend dargelegt, dass klassische Computer-verkörpert durch die mathematische Abstraktion als eine Turing-Maschine bekannt – sollte in der Lage, alles zu berechnen, die im physikalischen Universum von Grundrechenarten, Aktienhandel, berechenbar ist Schwarzes Loch Kollisionen.

Klassischen Maschinen unbedingt alle diese Berechnungen effizient, aber nicht. Angenommen, Sie wollten etwas wie das chemische Verhalten eines Moleküls zu verstehen. Dieses Verhalten hängt vom Verhalten der Elektronen im Molekül, die in einer Überlagerung von vielen klassischen Staaten bestehen. Die Dinge messier, den Quantenzustand jedes Elektron richtet sich nach den Staaten aller anderen – aufgrund der quantenmechanisches Phänomen, bekannt als Verschränkung. Klassische Berechnung dieser verschränkte Zustände in sogar sehr einfache Moleküle kann zum Alptraum der exponentiell zunehmenden Komplexität werden.

Ein Quantencomputer kann hingegen mit den ineinander verschlungenen Schicksale der Elektronen unter Studie umgehen, indem zusammenlaufen und eine eigene Quantenbits verwickelt. Dies ermöglicht dem Computer, außerordentliche Mengen an Informationen zu verarbeiten. Jedes einzelne Qubit hinzufügen verdoppelt sich die Staaten, die das System kann gleichzeitig speichern: zwei Qubits können vier Staaten, drei Qubits können acht Staaten zu speichern, und so weiter. Somit benötigen Sie nur 50 verschränkten Qubits zu Modell Quantenzustände, die exponentiell viele klassische Bits erfordern würde – 1,125 Billiarden um genau zu sein – zu kodieren.
Eine Quanten-Maschine könnte damit auch die klassisch unlösbare Problem große quantenmechanische Systeme gefügig zu simulieren, oder so schien es. "Natur ist nicht klassisch, verdammt noch mal, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen möchten, Sie würden besser machen es Quantum mechanische," der Physiker Richard Feynman berühmt im Jahr 1981 witzelte. "Und bei Gott ist es ein wunderbar Problem, weil es nicht so einfach aussieht."
Es war natürlich nicht.
Noch bevor jemand mit Quanten Hardware basteln begann, kämpfte Theoretiker, mit passender Software zu kommen. Schon sehr früh gelernt Feynman und David Deutsch, ein Physiker an der Universität Oxford, dass sie Quanteninformation, mit mathematischen Operationen kontrollieren könnten, lineare Algebra, die Tore genannt entlehnt. Als Analoga zu klassischen Logik-Gatter, manipulieren Quantengatter Qubits in vielerlei Hinsicht – in einer Abfolge von Überlagerungen und Verwicklungen zu leiten und dann ihre Messausgang. Durch das Mischen und passende Tore zum Form-Schaltungen, könnte die Theoretiker leicht Quantenalgorithmen zusammenstellen.


Richard Feynman, Physiker, der kam auf die Idee für einen Quantencomputer in den 1980er Jahren, witzelte, dass "bei Gott, es eine wunderbare Problem, weil es nicht so einfach aussieht." Cynthia Johnson/Getty Images
Konzeption von Algorithmen, die klare rechnerische Vorteile versprach sich als schwieriger. Durch den frühen 2000er Jahren hatte Mathematiker mit nur ein paar gute Kandidaten kommen. Am berühmtesten, 1994, eine junge Mitarbeiterin in den Bell Laboratories namens Peter Shor vorgeschlagen eine Quanten-Algorithmus , dass Faktoren Ganzzahlen exponentiell schneller als alle bekannten klassischen Algorithmus – eine Effizienz, die es zu knacken viele beliebte ermöglichen könnte Verschlüsselungsschemata. Zwei Jahre später entwickelte Shors Bell Labs Kollege Lov Grover einen Algorithmus , der die klassisch mühsam beschleunigt unsortierte Datenbanken zu durchsuchen. "Gab es eine Vielzahl von Beispielen, die Quanten Rechenleistung angegeben größer als klassische, sein sollte", sagte Richard Jozsa, ein Quantum Informatiker an der University of Cambridge.
Jozsa, zusammen mit anderen Forschern würde entdecken sondern auch eine Vielzahl von Beispielen, die genau das Gegenteil angegeben. "Es stellt sich heraus, dass viele schöne Quantenprozessen aussehen sie kompliziert sein sollte" und daher schwer, auf einem klassischen Computer simulieren, Jozsa sagte. "Aber mit clever, subtile mathematische Techniken, können Sie herausfinden, was sie tun werden." Er und seine Kollegen festgestellt, dass sie diese Techniken verwenden, um effizient zu simulieren – oder "de-Quantisierung," wie Heidi sagen würde – eine erstaunliche Anzahl von Quanten-Schaltungen. Zum Beispiel tappen Schaltungen, die Verschränkung lassen in diese Falle, wie diejenigen, die nur eine begrenzte Anzahl von Qubits zu verwickeln oder nur bestimmte Arten von Wucherwurzeln Tore zu verwenden.
Was, dann gewährleistet, dass ein Algorithmus wie Shor einzigartig leistungsfähig ist? "Das ist sehr viel eine offene Frage", sagte Jozsa. "Wir konnten nie wirklich verstehen, warum einige [Algorithmen] sind einfach zu klassisch simulieren und andere nicht. Klar ist die Verschränkung wichtig, aber es ist nicht das Ende der Geschichte." Experten begann zu Fragen, ob von der Quantenalgorithmen, die sie glaubten viele überlegen waren vielleicht entpuppen sich um nur normal zu sein.
Probenahme-Kampf
Bis vor kurzem war die Verfolgung der Quantum macht weitgehend abstrakt. "Wir waren nicht wirklich besorgt mit der Umsetzung unserer Algorithmen, da niemand glaubte, dass in der angemessenen Zukunft wir einen Quantencomputer hätten zu tun," sagte Jozsa. Läuft Shors-Algorithmus für ganze Zahlen groß genug, um einen standard 128-Bit-Verschlüsselung-Schlüssel, zum Beispiel zu entsperren Tausende von Qubits erfordern würde — sowie wahrscheinlich viele Tausende mehr, Fehler zu korrigieren. Experimentalisten, wurden unterdessen Gefummel beim Versuch, mehr als eine Handvoll Kontrolle.

Aber bis zum Jahr 2011 wurden die Dinge beginnen, nachschlagen. Herbst, bei einer Konferenz in Brüssel, mehreren spekuliert , die "den Tag wann gut kontrollierten Quantensystemen übertrifft Aufgaben können, was getan werden kann, in der klassischen Welt" nicht weit weg sein könnten. Den letzten Laborergebnisse, sagte er, könnte bald zu Quantum Maschinen in der Größenordnung von 100 Qubits führen. Bekommen sie, ziehen Sie einige "Super-klassische" Kunststück vielleicht nicht ausgeschlossen. (Obwohl D-Wave Systems kommerzielle Quantenprozessoren könnte dann 128 Qubits hadern und verfügen nun über mehr als 2.000 sie nur gezielte Optimierungsprobleme angehen, viele Experten bezweifeln, dass sie klassische Computer übertreffen können.)
"Ich wollte nur betonen wir waren nah dran –, dass wir endlich einen echten Meilenstein in der menschlichen Zivilisation wo Quanten-Technologie wird die mächtigste Informations-und Telekommunikationstechnologie, die wir haben erreichen könnte," sagte mehreren. Er nannte diesen Meilenstein "Quantum Vorherrschaft." Der Name – und der Optimismus – stecken. "Es zog in einem Ausmaß, das ich vermute nicht."
Das Summen über Quantum Vorherrschaft reflektiert eine wachsende Begeisterung im Bereich — über experimentelle Fortschritte, ja, aber vielleicht noch so über eine Reihe von theoretischen Durchbrüche, die mit einem 2004 Papier durch die IBM-Physiker Barbara Terhal und David begann DiVincenzo. In ihren Bemühungen, Quantum Vermögen zu verstehen hatte das Paar ihre Aufmerksamkeit auf rudimentäre Quanten-Rätsel bekannt als Probenahme Probleme gedreht. In der Zeit würde diese Klasse von Problemen Experimentatoren die größte Hoffnung für den Nachweis einer eindeutigen Beschleunigung auf frühen Quantum-Maschinen geworden.

David Deutsch, ein Physiker an der Universität Oxford, kam das erste Problem, das ausschließlich von einem Quantencomputer gelöst werden könnte. Lulies Tanett
Probenahme-Probleme nutzen die schwer fassbare Natur der Quanteninformation. Sagen Sie, dass Sie eine Folge von Toren auf 100 Qubits anwenden. Diese Schaltung kann die Qubits in eine mathematische Ungeheuerlichkeit gleichbedeutend mit etwas in der Größenordnung von 2 Peitschen.100 klassischen Bits. Aber sobald Sie das System messen, seine Komplexität reduziert auf eine Reihe von nur 100 Bits. Das System wird mit einer bestimmten Zeichenfolge ausspucken — oder Probe – mit einiger Wahrscheinlichkeit durch Ihre Schaltung bestimmt.
In Probenahme Problem ist das Ziel, eine Reihe von Proben zu produzieren, die aussehen, als käme sie aus diesem Kreislauf. Es ist wie eine Münze zu zeigen, dass es 50 Prozent Kopf und 50 Prozent-Zahl (im Durchschnitt) kommen wird immer wieder zu werfen. Außer hier, nicht das Ergebnis von jedem "Toss" einen Einzelwert-Kopf oder Zahl – es ist eine Kette von vielen Werten, von denen jeder durch einige (oder sogar alle) der anderen Werte beeinflusst werden kann.
Diese Übung ist für eine gut geölte Quantencomputer ein Kinderspiel. Es ist was es natürlich nicht. Auf der anderen Seite scheinen die klassischen Computern eine härtere Zeit haben. Unter den schlimmsten Umständen müssen sie machen, die unhandliche Arbeit von Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen Ausgabezeichenfolgen computing – alle 2100 von ihnen – und wählen Sie dann nach dem Zufallsprinzip Proben von dieser Verteilung. "Menschen immer vermutet, dass dies der Fall war" besonders für sehr komplexe Quanten Schaltungen, sagte Ashley Montanaro, Experte für Quantenalgorithmen an der University of Bristol.
Terhal und DiVincenzo hat gezeigt, dass sogar einige einfache Quanten-Schaltungen noch harte Probe mit klassischen Mitteln sein sollte. Daher wurde eine Bar eingerichtet. Wenn Experimentatoren ein Quantensystem ausspucken diese Proben bekommen könnte, würden sie haben guten Grund zu glauben, dass sie etwas klassisch unvergleichlich getan hatten.