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Facharbeit: Funktion und Zukunft der Quantencomputer

Alles zu Computerbausteine

Der Quantencomputer



Im Allgemeinen versteht man unter einem Quantenrechner, einen Computer, der sich in seinen Funktionen den Gesetzen der Quantenmechanik bedient. Wesentliche Faktoren sind hierbei das Superpositionsprinzip und die Quantenverschränkung. Ein gewaltiger Unterschied zu den normalen Computern ist, dass der Quantencomputer "Quantenbit's" anstatt "Bit's" verwendet. Was ihn jedoch einzigartig macht, ist dass er in mehreren Universen parallel rechnet. Dadurch ist das Ergebnis sofort da. Es benötigt jedoch diverse Algorithmen, um dieses Datengewirr auszuwerten. Derzeit ist man mit der Forschung so weit, wie bei der Erfindung des Computers vor 50 Jahren. Momentan wird weltweit an Quantencomputern geforscht, da man versucht diese Technologie nutzbar zu machen. Es wird jedoch noch sehr lange dauern. Die ersten Ergebnisse sind in den nächsten Jahrzehnten zu erwarten.

Schrödingers Katze
Für einen leichten Einstieg in die Materie, eignet sich das Gedankenexperiment von Schrödinger hervorragend, um Superposition verständlich zu machen. In diesem Experiment, sperrt er eine Katze in eine Kiste, die keine Informationsübertragung über den Zustand im Inneren zulässt. Mit in dieser Kiste ist ein radioaktives Atom, ein Gerät, das den Zerfall erkennt und einen Mechanismus auslöst, der eine tödliche Menge Gift freisetzt. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Atom zerfällt, beträgt 50%.
Unserer Logik zufolge ist die Katze entweder tot oder lebendig, da das Atom entweder zerfällt oder eben nicht. In der Quantenwelt jedoch ist beides gleichzeitig möglich. Diesen Zustand nennt man Superposition. Die Quantenwelt ermöglicht den Teilchen an zwei Positionen gleichzeitig zu sein. Öffnet man nun den Deckel der Kiste, so wird die Superposition zerstört, aber eine Erkenntnis gewonnen: Die Katze ist tot oder lebendig.

Quantenbit
Ein normales Bit hat eine bestimmte Ladung, entweder ist es über einem gewissem Punkt und wird somit als 1 (an) definiert oder es ist unter diesem Punkt, so dass man es als 0 (aus) definiert. Bei einem Quantencomputer bestehen die Quantenbit's z. B. aus Elektronen, deren Ladung man durch ihren "Spin" (Eigendrehung) messen kann. Das besondere an Quantenbit's, ist jedoch, dass sie auch alle Zustände dazwischen speichern können. Diese Zwischenzustände bezeichnet man als Superposition oder Überlagerung von Zuständen. Sie finden in mehreren Universen gleichzeitig statt. Eine Superposition bleibt solange bestehen, bis man sie analysiert. Dadurch wird dieser Zustand zerstört. Als Ergebnis bekommt man jedoch entweder ein Teilchen, mit dem Spin 1 oder 0.
Um eine Superposition der Teilchen zu ermöglichen, ist es wichtig ein System herzustellen, das bis zum Ende des Prozesses keinerlei Informationsfluss oder eine direkte Beeinflussung von außerhalb ermöglicht und somit die Überlagerung zulässt.
Um nach dem Ende des Prozesses die Ergebnisse zu ermitteln, werden die Zustände der Quantenbits ermittelt und die Superposition zerstört. Diese Messung kann mit Photonen durgeführt und je nach Drehrichtung des Spin's, anders abgelenkt werden.
Will man nun mit Qbit's über einen längeren Zeitraum (Minuten) arbeiten, so entsteht ein Problem: Nach einiger Zeit wechseln alle Qbit's in den Zustand 0. Der Grund für dieses Phänomen ist ein Bekannter: Die Relaxion .


Quantenregister
Wie in einem herkömmlichen Computer die Bits zusammengefasst werden, so geschieht dies auch in einem Quantencomputer, in sogenannten Quanten-Registern. In diesem Zustand sind die Qbit's verschränkt, was ihnen eine nichtlokale Verbindung ermöglicht. In dieser Verbindung hat z.B. Elektron Nr.1 einen Spin im Uhrzeigersinn und Elektron Nr. 2 automatisch einen Spin gegen den Uhrzeigersinn.
Kurz gesagt: Wenn in einer Verschränkung Teilchen Nr.1 auf der Erde ist und Teilchen Nr. 2 auf dem Mars, so kann man durch lediglich eine Messung beide Zustände der Teilchen herausfinden. Je nach der Menge der verschränkten Qbit's, kann man auch komplexere Aufgaben lösen.

Quantengatter
So wie auch unsere heutigen Rechner, haben auch Quantencomputer sogenannte Gatter. Diese haben die Aufgabe, Eingangssignale in Ausgangssignale umzuwandeln. Diese Gatter werden zu einem komplexen Schaltsystem verbunden und haben die Aufgabe einen bestimmten Zustand zu erkennen und darauf zu reagieren oder nicht. Aber auch hier gibt es gewaltige Unterschiede zwischen den beiden Systemen. Da wo der herkömmliche Rechner auf physikalische Bauelemente, wie Transistoren setzt, um die Signale durch das System zu leiten, dort setzt der Quantencomputer auf die gezielte, elementare Manipulation von Qbit's. Um den Spin des Elektrons zu beeinflussen, wird ein Magnetfeld erzeugt, dass in der Lage ist, den Wert zu beeinflussen (0 oder 1). Dieses Magnetfeld nennt man Ionenfalle .

Kühlung
Da Quantencomputer derzeit nur bei Temperaturen von 0,005 bis 23,4 Kelvin in der Lage sind zuverlässig zu arbeiten, erfordert es entsprechende alternativen zur Kühlung (0 Kelvin entsprechen dem absolutem Nullpunkt von 273,15°C). Um diesen Zustand zu erreichen, könnte man annehmen, dass Flüssigstickstoff die Lösung wäre. Doch selbst dieser ist mit "nur" -210°C um 40°C zu warm.
Die Lösung für dieses Kühlproblem, sind Laser . Wärme entsteht, durch die Schwingung von Teilchen. Je höher diese Schwingung ist, desto wärmer wird es in der unmittelbaren Umgebung. Um die Teilchen im Quantenprozessor unter 23,4 Kelvin zu halten, wird ein Laser eingesetzt, der so ausgerichtet ist, dass er die einzelnen Atome nach und nach, nahezu bis zum Stillstand ausbremst.

Einsatzgebiet
Bisher wurden bei Bedarf einfache, schnellere Siliziumchips hergestellt und zu gigantischen Serverkomplexen zusammengesetzt, um so genug Leistung zu erhalten. Doch der Quantencomputer hat ganz andere Voraussetzungen, um Daten schnell verarbeiten zu können. Da die Quantenprozesse in mehreren Universen parallel ablaufen, ist der Rechenvorgang an sich zeitlos. Das Ergebnis ist einfach da. Warum braucht man also mehr Qbit's? Man hat zwar sofort ein Ergebnis, jedoch beschränkt die Anzahl der Qbit's auch die Komplexität der Rechnung.
Google hat ein sehr großes Interesse an dieser Technologie, da es viel einfacher wäre Bilder zu analysieren, um sie zu taggen, da man sich nicht mehr auf die Nutzer verlassen müsse. Was mit Bildern geht, das geht mit Gesichtern noch viel leichter, was die weltweiten Geheimdienste sehr freuen würde, da man nun jeden noch leichter kontrollieren könnte.

Aber auch bei der Entschlüsselung von z.B. Passwörtern ist der herkömmliche Computer, dem Quantenrechner maßlos unterlegen. Dieser geht einfach nur stupide die möglichen Zahlenkombinationen durch. Um möglichst schnell eine Zahlenkombination zu knacken, benutzt der Quantencomputer seine Überlegenheit in der Primfaktorzerlegung, aus der die wichtigsten Verschlüsselungsmethoden bestehen. Wie bereits erwähnt, würde der Quantenrechner alle Ergebnisse ausgeben und wir müssten "nur" noch das richtige finden, dies ist aber mit den passenden Algorithmen nicht sonderlich schwer. Zwar knacken Quantencomputer unsere heutigen Verschlüsselungen, sie wären aber nicht in der Lage eine Verschlüsselung zu knacken, die ein anderer Quantencomputer erstellt hat. Kurzgesagt: Ottonormalverbraucher könnte sich mit seinen Rechnern vor nichts mehr schützen und der Staat wäre durch den Quantencomputer nicht "hackbar".

D-Wave ONE
Die Firma D-Wave Systems Inc. hat im Jahr 2011 den ersten vermeintlichen Quantencomputer mit einem 128-Qbit Chipsatz vorgestellt. Der neuste Prototyp soll sogar schon über ein 512-Qbit Chipsatz verfügen (Google und die NASA haben bereits einen). Schon im Jahr 2007 haben sie mit einem 28-Qbit Chipsatz geprahlt und für öffentliche Aufmerksamkeit gesorgt. Doch die Behauptung, als erste einen marktfähigen Quantencomputer mit 128 verschränkten Qbit's geschaffen zu haben, an dem bis heute renommierte Wissenschaftler scheitern, lässt die Kritiker aufschreien. Zurecht. D-Wave ONE ist lediglich ein Adiabatischer Quantencomputer, der auf einem anderen Konzept beruht.
Trotzdem haben Google, Amazon und die CIA das Projekt großzügig gefördert und sich nun zum Stückpreis von 10 Millionen Dollar jeweils einen gekauft, in der Hoffnung sich dadurch einen Vorteil gegenüber allen anderen zu verschaffen. Doch im Direktvergleich war D-Wave ONE nicht besser in Optimierungsaufgaben als ein herkömmlicher Rechner.
Dies führte zu Bloßstellung und Spott. So schrieb Zeit Online: "Dieser Chip rechnet besser als ein Roastbeef-Sandwich" und wirft der Firma Etikettenschwindel vor. Sie macht keinen Unterschied zwischen ihrem Adiabatischen Quantencomputer und dem Quantencomputer, der den forschenden Wissenschaftlern täglich die Nerven raubt.
Quantencomputer für Ottonormalverbraucher?
Die Frage, ob man sich in absehbarer Zeit einen Quantencomputer kaufen kann, ist (derzeit) relativ leicht mit einem Nein zu beantworten. Der Grund für diese Antwort ist, dass die Technik noch in den Kinderschuhen steckt. 8 verschränkte Qbit's sind der bisherige (tatsächliche) Rekord. Das heißt, dass es noch einige Jahre dauern wird, bis man wirklich brauchbare Quantencomputer bauen kann. Es wird geschätzt, dass man erst in 50 Jahren konsequent mit dieser Technologie Arbeiten kann, da erst dann dieses Gebiet genug erforscht worden sein könnte.
Aber auch andere Probleme hindern die Benutzung im Alltag. Um zuverlässig arbeiten zu können, muss die Temperatur des Quantenprozessors nahe dem absoluten Nullpunkt liegen. Jede kleine Erschütterung kann die Teilchen verschieben und somit den Rechenprozess beeinflussen, was das System zum Einsturz bringt. Ein anderer Faktor ist jedoch noch ausschlaggebenderer: Geld. Ist man kein Millionär oder eine gut geförderte Universität, so stehen die Chancen, dass man sich so etwas leisten kann, sehr schlecht. Jedoch, als der uns heute bekannte Computer der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde, bewegten sich die Preise für brauchbare Geräte auch im fünfstelligen Bereich.
Doch wäre es überhaupt sinnvoll sich einen solchen Computer zuzulegen? Eigentlich nicht. Nur wer gigantische Mengen an Variablen und Daten analysieren will, hätte auch einen tatsächlichen Nutzen für eine solche Maschine. Da dieser Fall nur auf Unternehmen (z. B. Google), Staatliche Einrichtungen (z. B. CIA/NSA) und Forschungseinrichtungen wie die NASA zutrifft, werden diese Rechenmonster eher auf Rechenleistung, als auf Normalverbraucher abgestimmt.



Segen oder totale Kontrolle?
Quantencomputer sind auf ihrem Gebiet sehr effizient und wären in der Lage uns große Lasten abzunehmen. Sie könnten in der Wissenschaft aufwendige Analysen durchführen und dabei in Sekunden fertig sein, wofür heute ein Serverkomplex Stunden und Tage braucht.
Es würden sich viele Dinge grundlegend ändern: Die Wettervorhersage wäre unfehlbar, da man nun ohne großen Aufwand die gigantischen Datenmassen analysieren könnte. Man würde nun statt wagen Wochenprognosen, Jahresvorhersagen machen können. Der Aktienmarkt würde revolutioniert werden, da Quantencomputer in der Lage wären, Geld in die sichersten Aktien zu investieren und sie vor einem Verlust wieder abzustoßen. Aber auch das Militär würde sich über die neue Technologie freuen, da man spätestens jetzt in der Lage wäre, den Drohnen die Entscheidungen zu überlassen, ob das Ziel eine Gefahr darstellt oder nicht.
Damit aber nicht genug. Kampfroboter unterstützen heute schon das US Militär, da sie im Gegensatz zu den Soldaten günstiger, ausdauernder und entbehrlicher sind. In der Zukunft könnten Kampfroboter in "Menschengestalt" für uns in den Krieg ziehen, kontrolliert von einem Quantencomputer.
Geheimdienste, wie die NSA, könnten mithilfe des Quantencomputers die Verschlüsselungsmethoden RSA und AES in kürzester Zeit entschlüsseln. Zwar wird überall entwarnt, da man (heute) nicht in der Lage ist, die Ergebnisse des Quantenrechners sinnvoll auszuwerten. Doch wer daran glaubt, dass sich dies nicht in den nächsten 50 Jahren ändern wird, ist selber schuld. Schon heute, wo noch intensiv an den ersten Quantencomputern geforscht wird, gibt es diverse Algorithmen wie z.B. den Shor oder Grover Algorithmus, die mit Hilfe eines Quantencomputers die Verschlüsselungsmethode AES 128 Bit unbrauchbar machen würden.
Da wir aber erst am Anfang einer langen Forschungsgeschichte sind, bleibt uns vorerst nur das Warten übrig. 50 Jahre sind eine Ewigkeit in der Computerindustrie und man sollte nicht spekulieren, sondern auf das Ergebnis warten. Als vor 50 Jahren der erste Rechner in Betrieb genommen wurde, haben die wenigsten an seine Zukunft geglaubt.

Erläuterungen

Relaxion
Überlässt man ein Teilchen sich selbst, so kann es in seinem Streben, seinem energiearmen Zustand nachgehen. Bei Qbit's äußert sich dieses Streben im Wertübergang nach 0, was derzeit ein sehr großes Problem darstellt.

Ionenfalle
Die Ionenfalle, auch Paulfalle genannt, kann einzelne Teilchen selektieren und festhalten. Dadurch eignet sie sich hervorragend als "Arbeitsfläche" zur gezielten Manipulation von Qbit's

Parallel Universen
Hugh Everett erklärt in seiner Viele-Welten-Interpretation die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Ergebnisse in jedem Universum unterscheiden und folglich jedes Ergebnis irgendwo zutrifft. Man könnte behaupten, dass der Quantencomputer die Ergebnisse aus jedem Universum empfängt. Unsere Aufgabe wäre nur noch herauszufinden, welches Ergebnis in unserem Universum das richtige ist.

Adiabatischer Quantencomputer
Beim Adiabatischem rechnen, wird nach einer optimalen Lösung in Form von "ruhig" arbeitenden Quantenbits gesucht. Dabei wird mit dem Tunneleffekt gearbeitet.


Anlagenverzeichnis

(http://www.hardware-infos.com/news/3871/quantencomputer-neuste-errungenschaften.html)
1Der Quantenprozessor (links) wird von der Laserapparatur gekühlt




Literaturverzeichnis

Dr. Markus Siepermann: "Quantencomputer". In: Springer Gabler Verlag (Herausgeber), Gabler Wirtschaftslexikon. http://wirtschaftslexikon.gabler.de/Archiv/596505793/quantencomputer-v4.html (abgerufen am 01.01.2015)

Unbekannter Autor: "Quantenphysik". In: Elektronik Kompendium.
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1209031.htm (abgerufen am 01.01.2015)

Unbekannter Autor: "Dekohärenz-in-Quantum-Computing ". In: Neogrid
http://www.neogrid.de/was-ist/Dekoh%C3%A4renz-in-Quantum-Computing#oben (abgerufen am 01.01.2015)

Unbekannter Autor: "Quantencomputer". In: Zeit online (Zitat: "Dieser Chip rechnet besser als ein Roastbeef-Sandwich"
http://www.zeit.de/wissen/2013-06/quantencomputer-test (abgerufen am 01.01.2015)

Unbekannter Autor: "Quantencomputer". In: Chemie
http://www.chemie.de/lexikon/Quantencomputer.html (abgerufen am 01.01.2015)

Christian J. Meier: "Quantencomputer". In: Stuttgarter Zeitung (Stand: 14. Juli 2014 - 13:00 Uhr)
http://www.stuttgarter-zeitung.de/inhalt.quantencomputer-vergleich-mit-klassischem-rechner.737cd529-c4c7-4d0e-a80c-0a44484d309b.html (abgerufen am 01.01.2015)

Unbekannter Autor: "Ende der Verschlüsselung?". In: iknews
http://www.iknews.de/2013/07/03/ende-der-verschluesselung-cia-investiert-ueber-in-q-tel-in-quantencomputer/ (abgerufen am 01.01.2015)

Rico Schmidtbauer: "Quantencomputer: Neuste Errungenschaften". In: Hardware Infos
http://www.hardware-infos.com/news/3871/quantencomputer-neuste-errungenschaften.html
(abgerufen am 01.01.2015)

Unbekannter Autor.: "Quantencomputer". In: Wikipedia Stand: 13. Januar 2015.
http://de.wikipedia.org/wiki/Quantencomputer (abgerufen am 01.01.2015)
Inhalt
Vorwort
In letzter Zeit liest man immer häufiger von sogenannten "Quantencomputern". Ob nun Leistung oder Sicherheit, diese neue Art von Computern soll alles revolutionieren und den heutigen Computer in den Schatten stellen.
In dieser Facharbeit möchte ich Ihnen einen Überblick über dieses Thema verschaffen, indem ich den heutigen Fortschritt verständlich mache und die Funktionen und Besonderheiten eines solchen Computers näherbringe. Außerdem werden wir einen Blick in die Zukunft werfen, um uns vorstellen zu können, wann man mit dieser Technologie rechnen kann. (2253 Wörter)
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