Quantencomputer: Aktueller Stand und Zukunftsaussichten

Die wissenschaftliche Gemeinschaft achtet auf die Grenzen moderner Supercomputer und die Auswirkungen auf Akademiker und Institutionen weltweit.

Forscher können beispielsweise die aktuelle Technologie verwenden, um komplexere Simulationen durchzuführen, beispielsweise solche, die sich auf die Chemie und die reaktiven Eigenschaften der einzelnen Elemente konzentrieren.

Da die Komplexität dieser Interaktionen jedoch zunimmt, wird es für aktuelle Supercomputer immer schwieriger, sie zu verwalten. Aufgrund der begrenzten Rechenleistung dieser Geräte ist es fast unmöglich, diese Art von Berechnungen durchzuführen, was die Wissenschaftler zwingt, bei der Durchführung dieser Studien zwischen Geschwindigkeit und Präzision zu wählen.

Um den Umfang dieser Experimente in einen Kontext zu stellen, sollten Sie erwägen, ein Wasserstoffatom zu modellieren. Da Wasserstoff nur ein Proton und ein Elektron enthält, könnte ein Forscher die Chemie leicht von Hand durchführen oder sich bei der Durchführung der Berechnungen auf einen Computer verlassen.

Dieses Verfahren wird schwieriger, je nachdem, wie viele Atome es gibt und ob die Elektronen miteinander verschränkt sind oder nicht. Es würde bis zu 20 Billionen Jahre dauern, jedes mögliche Ergebnis für ein Element wie Thulium aufzuschreiben, das 69 Elektronen enthält, die alle miteinander verdreht sind.

Quantencomputer hingegen eröffnen eine ganz neue Welt von Möglichkeiten. Die Gleichungen, die zur Nachahmung der Chemie benötigt werden, sind Wissenschaftlern seit den 1930er Jahren bekannt, aber die Entwicklung eines Computers mit der Leistung und Zuverlässigkeit, um diese Berechnungen durchzuführen, war bis vor Kurzem nicht möglich.

Heutige Quantencomputer haben die Geschwindigkeit, die Forscher benötigen, um alle Teile der Chemie zu simulieren, sodass sie viel prädiktiver arbeiten können und die Notwendigkeit von Laboruntersuchungen verringert wird. Hochschulen und Institutionen sind möglicherweise in der Lage, Quantencomputer zu nutzen, um vorhandenes chemisches Wissen zu erweitern.

Denken Sie an die Zeit- und Geldersparnisse, die erzielt werden könnten, wenn Quantencomputer Laborexperimente während der Forschung überflüssig machen könnten. Da die Rechenkapazität zum Verständnis chemischer Eigenschaften noch nicht vorhanden war, könnte dieser Schritt außerdem zu Durchbrüchen in Bezug auf chemische Eigenschaften führen, die der Welt bisher unbekannt waren.

Obwohl diese Prognosen für Quantencomputer wie Hirngespinste erscheinen mögen, stellen sie die nächsten logischen Schritte dar. Nur die Zeit wird zeigen, wie weit wir in der Lage sein werden, diese Technologie voranzutreiben.

Quantencomputer erklären

Quantencomputer führen ausgeklügelte Berechnungen durch, indem sie Überlagerung, Interferenz und Verschränkung nutzen. Anstatt klassische Bits zu verwenden, verwenden Quantencomputer Quantenbits oder Qubits, die Quantenmerkmale der Wahrscheinlichkeit aufweisen, wobei das Bit sowohl Null als auch Eins ist, mit Wahrscheinlichkeitskoeffizienten, bis sie gemessen werden. An diesem Punkt wird ihr diskreter Wert bestimmt.

Noch wichtiger ist, dass Qubits aus Quantenteilchen bestehen, die miteinander verschränkt sind, sodass Berechnungen mit einer damit verbundenen Wahrscheinlichkeit möglich sind. Angesichts dieser Phänomene öffnet das Quantencomputing die Tür für die Entwicklung neuer spezieller Quantenalgorithmen zur Lösung neuer Probleme, die von Kryptografie über Suchmaschinen bis hin zu turbulenter Flüssigkeitsdynamik bis hin zur direkten Simulation der Quantenmechanik reichen und die Entwicklung neuer Arzneimittel ermöglichen.

Beim klassischen Rechnen nehmen unsere Informationen die Form klassischer Informationen an, wobei den Bits bewusst Werte von Null oder Eins zugewiesen werden. Die Quantenmechanik ist dagegen nicht so einfach: In einem probabilistischen, unsicheren Zustand kann ein Wert sowohl Null als auch Eins sein. Dieser Zustand hat einen Koeffizienten für die Wahrscheinlichkeit, Null zu sein, und einen Koeffizienten für die Wahrscheinlichkeit, Eins zu sein. Wenn das Qubit betrachtet wird, ändert sich der Wert diskret von Null auf Eins.

In der Praxis haben diese Qubits die Form von subatomaren Teilchen mit quantenmechanischen probabilistischen Merkmalen, wie einem Elektron oder Photon. Darüber hinaus können bei einem Phänomen, das als Quantenverschränkung bekannt ist, viele Partikel zu probabilistischen Ergebnissen verbunden werden, wobei das Ergebnis des Ganzen nicht mehr nur vom Ergebnis unabhängiger Komponenten abhängt.

Anwendungen von Quantencomputern

Viele Unternehmen nutzen bereits Quantencomputer. IBM arbeitet beispielsweise mit Mercedes-Benz, ExxonMobil, CERN und Mitsubishi Chemical zusammen, um Quantencomputer in ihre Produkte und Dienstleistungen zu integrieren:

Mercedes-Benz untersucht Quantencomputer, um stärkere Batterien für seine Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Durch die Integration von Quantencomputern in seine Produkte hofft das Unternehmen, die Zukunft moderner elektrisch betriebener Automobile zu gestalten und gleichzeitig die Umwelt zu belasten, sodass sie bis 2039 klimaneutral werden.

ExxonMobil verwendet Quantenalgorithmen, um die effizientesten Routen für den weltweiten Versand von sauber verbrennendem Kraftstoff zu finden. Ohne Quantencomputer wäre es fast schwierig, alle Routing-Kombinationen zu berechnen und die effizienteste zu ermitteln.

CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, versucht, die Geheimnisse des Universums zu lüften. CERN kann mithilfe von Quantencomputern Algorithmen finden, die die komplizierten Ereignisse im Universum effizienter identifizieren. Quantencomputer können CERN beispielsweise dabei helfen, Muster in Daten des Large Hadron Collider zu bestimmen.

Vor- und Nachteile

Der Nutzen von Quantencomputern ergibt sich aus der probabilistischen Natur ihres Betriebs. Informatiker haben die Einsatzmöglichkeiten in schnelleren Suchmaschinen, genaueren Wettervorhersagen und präzisen medizinischen Anwendungen nachgewiesen, indem sie eine probabilistische Art der Berechnung direkt anwendeten, anstatt sie zu simulieren.

Darüber hinaus sind Quantencomputer sehr nützlich bei der direkten Modellierung der Quantenmechanik, was das Hauptziel bei der Entwicklung des Quantencomputers war. Der vielleicht attraktivste Aspekt von Quantencomputern ist, dass sie Probleme schneller lösen, sodass sie sich perfekt für Anwendungen eignen, bei denen riesige Datenmengen verarbeitet werden müssen.

Die Entwicklung eines starken Quantencomputers ist jedoch schwierig und hat zahlreiche Nachteile. Eines der grundlegenden Probleme von Quantencomputern ist ihre Anfälligkeit gegenüber hohen Temperaturen. Um ordnungsgemäß zu funktionieren, muss das System nahe am absoluten Nullpunkt liegen, was ein erhebliches technisches Problem darstellt. Außerdem ist die Qubit-Qualität nicht da, wo sie sein sollte.

Qubits liefern nach einer bestimmten Anzahl von Befehlen eine fehlerhafte Ausgabe, und Quantencomputern fehlt eine Fehlerkorrektur, um dieses Problem zu lösen. Angesichts der Anzahl der Drähte oder Laser, die für die Herstellung jedes Qubits erforderlich sind, ist es schwierig, die Kontrolle aufrechtzuerhalten, insbesondere wenn ein Chip mit einer Million Qubit gewünscht wird.

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