Quantencomputer

Quantencomputer haben das Potential die Informatik zu revolutionieren. Sie verwenden quantenmechanische Eigenschaften um Berechnungen durchzuführen und sind dabei um ein vielfaches schneller als herkömmliche Computer. Ein einheitliches Konzept für die Realisierung von Quantencomputern konnte sich bisher nicht durchsetzen und auch an effizienten Algorithmen mangelt es noch (Beach et al. 2004).

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Quantencomputer haben das Potential die Informatik zu revolutionieren. Sie verwenden quantenmechanische Eigenschaften um Berechnungen durchzuführen und sind dabei um ein vielfaches schneller als herkömmliche Computer. Ein einheitliches Konzept für die Realisierung von Quantencomputern konnte sich bisher nicht durchsetzen und auch an effizienten Algorithmen mangelt es noch(Beach et al. 2004). Es handelt sich hierbei um ein hochspezialisiertes Themengebiet.

Zu dem Paket gehören folgende Themen, zu denen Sie hier kurze Infos erhalten. Sobald Sie ausführlichere Informationen wünschen, können Sie das Gesamtpaket erwerben.

1.1 Qubits

Ein Qubit, kurz für Quantenbit, ist ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System wie beispielsweise die beiden Spinzustände eines Elektrons oder die vertikale und horizontale Polarisation eines Photons. Der Unterschied zu einem klassischen Bit besteht in den quantenmechanisch erlaubten Zuständen im komplexen Vektorraum. Dadurch lassen sich mit Qubits exponentiell mehr Informationen speichern als mit klassischen Bits (DiVincenzo 2000). In diesem Zusammenhang erfährt das nichtadiabatische holonomische Quantencomputing zunehmendes Interesse aufgrund der Robustheit gegenüber Steuerungsfehlern (Xu et al. 2015).

1.2 Quantenschaltungen

Quantenschaltungen bestehen aus einer Ansammlung von Quantengattern die die elementaren Berechnungen durchführen. Dabei entsteht normalerweise Wärme, gegenüber der Quantensysteme sehr empfindlich sind. Die reversible Logik zeigt hierbei großes Potential, denn mit ihr können Berechnungen durchgeführt werden bei denen praktisch keine Wärme entsteht (Lin et al. 2015a; Thakral et al.).

Nearest Neighbor Quantum Circuit: In einigen Anwendungen wie Quantenschaltungen können nur benachbarte Qubits miteinander interagieren. Um die Qubits zueinander zu bringen, werden sogenannte Swap-Gates verwendet (Xu et al. 2016a).

1.3 Spin

Der Spin ist das Drehmoment, welches mit Quanten assoziiert wird. Er wird als Vielfaches des reduzierten planckschen Wirkungsquantum angegeben (Encyclopædia Britannica). 

Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum in Diamanten: Das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum ist ein atomarer Defekt im Kristallgitter von Diamanten. Er ist optisch aktiv und besitzt einen Elektronenspin im Grundzustand. Der Spin kann als Qubit und als Feldsensor verwendet werden (Neumann 2012).

1.4 Verschränkung

Verschränkung beschreibt einen Zustand mehrerer Quanten, der nicht als Produkt der einzelnen Quanten charakterisiert werden kann. Verschränkte Zustände kommen in der Quantenmechanik häufig vor, können mit klassischen Methoden jedoch nicht gemessen werden (Wu et al. 2016b).

Hyperverschränkung: Hyperverschränkung, die Verschränkung eines Quantensystems in mehreren Freiheitsgraden, kann die Kanalkapazität und die Sicherheit von Quantenkommunikation über weite Distanzen hinweg verbessern (Bao-Cang und Fu-Guo 2015).

Rydberg-Blockade: Die Rydberg-Blockade ist eine Atom-Atom-Interaktion mit der sich Quantenschaltungen realisieren lassen (Gonçalves und Marcassa 2016; Zhang et al. 2012).

1.5 Sicherheit durch Quantencomputer

Quantencomputer bieten ein hohes Maß an Sicherheit, da die Datenübertragung mit heutigen Mitteln nicht manipuliert oder abgefangen werden kann.

Quanten-Bildverarbeitung: In der Bildverarbeitung gibt es einige Anwendungen, wie beispielsweise den Einsatz von Wasserzeichen, die mit klassischen Rechensystemen praktisch unlösbar sind. Da Quantencomputer theoretisch eine viel höhere Rechengeschwindigkeit besitzen, könnten mit ihrer Hilfe einige dieser Probleme gelöst werden (Beach et al. 2004).

Blind Quantum Computing: Mit Blind Quantum Computation kann der Nutzer Berechnungen an einen nicht vertrauenswürdigen Server abgeben. Die Algorithmen und Daten bleiben verborgen und können weder abgefangen noch manipuliert werden (Perez-Delgado und Fitzsimons 2015; Takeuchi et al. 2016).

1.6 Algorithmen für Quantencomputer

Klassische Algorithmen können für Quantencomputer nicht einfach übernommen werden, weil sich die Systemarchitekturen grundlegend unterscheiden. Die Entwicklung effizienter Quantenalgorithmen ist somit ein aktuelles Forschungsgebiet.

Quantum Walk: Quantum Walk ist ein theoretisches Modell für die zeitliche Entwicklung von diskreten Quantensystemen und wird für die Entwicklung von Algorithmen verwendet (Luo und Xue 2015).

Quanteninspirierte Partikelschwarmoptimierung: Die klassische Partikelschwarmoptimierung löst kontinuierliche Optimierungsprobleme. Inspiriert durch die parallele Charakteristik des Quantencomputings ergeben sich effizientere klassische Algorithmen (Huang et al. 2015b; Zouache et al. 2016).

1.7 Fehlertoleranz von Quantencomputern

Quantenzustände lassen sich nur schwer kontrollieren, wodurch immer wieder Fehler entstehen. Besonders die Anfälligkeit der Quantengatter gegenüber Wärme stellt ein Problem dar.

Fehlerrate der Quantengatter: Die Quantengatter führen die Elementaroperationen eines Quantencomputers aus und sollten eine möglichst geringe Fehlerrate aufweisen. In den letzten Jahren sind bemerkenswerte Fortschritte in diesem Gebiet erzielt worden (Sanders et al. 2016).

1.8 Topologische Quantencomputer

Topologische Quantencomputer sind eine Art von Quantencomputern, die robust gegenüber Dekohärenz sind (Shi et al. 2016).

Majorana Fermionen: Majorana Fermionen sind Elementarteilchen die ihre eigenen Antiteilchen sind. Sie haben eine potentielle Anwendung im fehlertoleranten topologisch Quantencomputing (Yang und Jian-Hong 2015).

1.9 Quantencomputer in der Optik

Da bei Quantencomputern auch Photonen verwendet werden, lassen sich manche Aktionen auch mittels klassischer Optik durchführen (Leverrier und Garcia-Patron 2015).

Boson Sampling: Boson Sampling ist eine Problemstellung bei der ein Quantencomputer eine deutlich höhere Geschwindigkeit erzielt als ein klassischer Computer. Die wichtigste Eigenschaft ist, dass dies mit der aktuellen Technologie nichtlinearer Optik gelöst werden kann und keinen vollständigen Quantencomputer voraussetzt (Huh et al. 2015; Leverrier und Garcia-Patron 2015).

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