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Ein Einblick in die Welt der Quantencomputer

Einleitung:
Quantum Computing wird uns vermutlich in näherer Zukunft beeindruckende Möglichkeiten eröffnen. Gerade im Hinblick auf KI in Industrieunternehmen hofft man darauf, dass sehr hilfreiche Echtzeitberechnungen möglich werden. Wir bleiben am Zahn der Zeit, wenn Mali einen Überblick gibt – und auch ein paar Programmierbeispele mit Quantum-Computerzugriff gibt.

 

Teil 1: Ein Einblick in die Welt der Quantencomputer

Im rasanten technologischen Fortschritt gewinnt eine Innovation immer mehr an Bedeutung: der Quantencomputer. An dieser Stelle möchten wir Ihnen einen vertieften Einblick in den aktuellen Entwicklungsstand dieser bahnbrechenden Technologie geben. Denn wir sind überzeugt, dass in absehbarer Zeit sowohl mittelständische Unternehmen als auch Großkunden von ihr profitieren werden. Quantencomputer, die auf den grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik basieren, sind in der Lage, komplexe Berechnungen durchzuführen, die von herkömmlichen Computern nicht bewältigt werden können. Der Schlüssel zu dieser beeindruckenden Fähigkeit liegt in den Qubits, einer zentralen Komponente des Quantencomputers. Entdecken Sie mit uns die Zukunft des Computings!

Was sind Qubits?

Qubits sind die Quantenäquivalente zu den Bits in herkömmlichen Computern. Im Gegensatz zu diesen klassischen Bits, die entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen können, können Qubits dank der Quantensuperposition einen Zustand darstellen, der eine Überlagerung von 0 und 1 ist.

Dies bedeutet, dass ein Qubit nicht genau 0 oder 1 ist, sondern eine gewisse Wahrscheinlichkeit hat, in jedem dieser Zustände gemessen zu werden. Diese Wahrscheinlichkeit kann durch die Quantenmechanik und die Art und Weise, wie die Qubits manipuliert werden, verändert werden.

 

Mit jedem zusätzlichen Qubit steigt die Rechenkapazität eines Quantencomputers exponentiell an. Doch trotz ihrer beeindruckenden Kapazität sind aktuelle Quantentechnologien nicht notwendigerweise gut für die Speicherung großer Datenmengen geeignet. Stattdessen arbeiten sie nach dem Prinzip des ‚Small Data, Big Compute‘, was bedeutet, dass sie bei begrenzten Datenmengen extrem effiziente und komplexe Rechenoperationen ausführen können. Auch wenn sie in Bereichen wie der Künstlichen Intelligenz (KI) Anwendung finden, zeigt sich ihre wahre Stärke in der Lösung anspruchsvoller Probleme mit begrenzten Daten. Darüber hinaus müssen diese Quantensysteme häufig in extrem kalten Umgebungen betrieben werden und sind sehr empfindlich gegenüber Störungen.

Qubit-Technologien

In der Welt der Quantencomputer gibt es verschiedene Arten, sogenannte „Qubits“ zu realisieren. Einige Unternehmen, wie IonQ und Honeywell, verwenden das, was als „Ionenfallen-Qubits“ bekannt ist. Dabei handelt es sich um winzige Teilchen, die mithilfe von elektrischen Feldern an Ort und Stelle gehalten werden, ähnlich wie kleine Bälle in einer unsichtbaren Box. Mit Laserstrahlen können wir diese Teilchen manipulieren, wodurch sie sich in verschiedene Zustände begeben können. Ein großer Vorteil dieser Qubits besteht darin, dass sie im Vergleich sehr geringe Fehlerraten aufweisen und daher besonders für genaue Berechnungen nützlich sind. Andere Unternehmen wie IBM und Google verwenden „supraleitende Qubits„. Diese basieren auf elektrischen Schaltkreisen, die auf extreme Temperaturen heruntergekühlt werden. Der Vorteil dieser Qubits ist, dass sie leichter zu skalieren und in integrierten Schaltkreisen zu implementieren sind. Jedoch weisen diese im Allgemeinen höhere Fehlerraten als Ionenfallen-Qubits auf. Es gibt auch „Photonen-Qubits„, bei denen Lichtteilchen zur Speicherung von Informationen verwendet werden, und „topologische Qubits„, die noch widerstandsfähiger gegen Fehler sein sollen, jedoch ebenso viel schwerer zu realisieren sind. Es zeigt sich also: Alle diese verschiedenen Arten von Qubits haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und können in verschiedenen Situationen nützlich sein.

Kohärenzzeit und Fehleranfälligkeit

Ein wichtiger Aspekt bei der Leistung eines Quantencomputers ist die Kohärenzzeit, also die Zeitspanne, in der ein Qubit seinen Quantenzustand aufrechterhalten kann. Ionenfallen-Qubits weisen typischerweise sehr lange Kohärenzzeiten im Bereich von Sekunden bis Minuten auf, während supraleitende Qubits Kohärenzzeiten im Bereich von Mikro- bis Millisekunden aufweisen. Die Technologie und die Leistungsmetriken von Qubits entwickeln sich ständig weiter, und Forscher und Ingenieure arbeiten weiterhin an der Optimierung dieser Technologien.

Die Fehlerkorrektur in einem Quantencomputer ist komplex und erfordert den Einsatz von mehreren gesonderten Qubits, um die Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Das Konzept besteht darin, redundante Informationen über die Zustände der Qubits zu erstellen und diese Informationen dann zu verwenden, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren, die aufgrund von Umgebungseinflüssen auftreten können.

IBM hat auch Algorithmen zur Fehlerkompensation entwickelt, die helfen, die Auswirkungen von Rauschen und anderen Fehlerquellen zu reduzieren. Methoden wie die Probabilistische Fehlerkompensation (PEC) und die Null-Rausch-Extrapolation (ZNE) tragen dazu bei, die Präzision und Zuverlässigkeit der Quantenberechnungen zu verbessern.[1]

Diese Entwicklungen bei IBM und anderen Organisationen tragen dazu bei, die Realisierbarkeit von Quantencomputern für praktische Anwendungen, insbesondere in Bereichen wie der Künstlichen Intelligenz, voranzutreiben. Obwohl die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, bieten die Fortschritte in der Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit einen spannenden Blick in die Zukunft des Quantencomputings.

Zugang zu Quantencomputern

Der Zugang zu Quantencomputern ist mittlerweile nicht mehr auf große Forschungseinrichtungen oder Unternehmen beschränkt. Ob Sie nun ein Schüler, ein Student oder einfach nur neugierig sind, es gibt viele Wege, wie Sie Quantencomputing ausprobieren können. Hier sind einige Möglichkeiten:

IBM bietet über das IBM Quantum Experience einen kostenlosen Zugang zu echten Quantencomputern an. Über diese Plattform können Sie Experimente durchführen, Quantenprogramme schreiben und diese auf sowohl auf Simulatoren, als auch echten Quantencomputern ausführen.

Google bietet eine Open-Source-Plattform namens Cirq an, mit der Sie Quantenprogramme für Google’s Quantenprozessoren entwickeln können. Während der direkte Zugang zu Google’s Quanten-Hardware begrenzter sein kann, bietet Cirq die Möglichkeit, Experimente mit Simulatoren durchzuführen. In unserem nächsten Blog werden wir ausführlicher darüber sprechen.

Fazit

Die Technologie des Quantencomputing mag noch jung sein, aber dank der Fortschritte in der Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit bietet sie einen faszinierenden Ausblick auf die Zukunft dieses Forschungsfeldes. Dr. Jan-Rainer Lahmann, ein Mitglied des IBM-Quantum-Networks und renommierter Quantencomputing-Spezialist, betont in kürzlich veröffentlichten Podcasts[2] die Wichtigkeit und den erwarteten Fortschritt in den kommenden Monaten oder Jahren. Angesichts dessen lohnt es sich zweifellos, das Thema genau im Auge zu behalten, da es zunehmend an Bedeutung gewinnen wird.

[1] Quelle: IBM Blog, veröffentlicht am 14. Juni 2023

[2] https://open.spotify.com/episode/45n9zMuIhKtma6jvUOWbbl

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