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Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Von / 24. August 2013 / 26 Kommentare
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Wie funktioniert ein Quantencomputer? Keine Ahnung. Jorge Cham von den PHD Comics hat ein paar Wissenschaftler interviewt und die Grundlagen der Arbeit mit Quantencomputern schön animiert. Aber ich schaffe es trotzdem nicht, mir so ein Teil konkret vorzustellen. Ist das ein “echter” Computer, auf dem man dann “Windows Quantum” installieren muss und auch mal ne Runde Minesweeper spielen kann? Oder doch eher ein kompliziertes Experiment in einem Labor das jedes Mal neu und anders aufgebaut werden muss, wenn man ein neues “Programm” laufen lassen will?
Naja – ich fürchte, es wird so oder so noch ne Zeit lang dauern, bis der erste brauchbare Quantencomputer läuft…

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Kommentare (26)

  1. #1 Manfred Hofemann
    Sibulan, Philippines
    24. August 2013

    Das erinnert mich sehr an ” Schroedingers Katze “

  2. #2 Hanno
    Berlin
    24. August 2013

    Da gibt’s ein paar Bilder:
    https://web.physics.ucsb.edu/~msteffen/nmrqc.htm

    Das war afaik der erste Quantencomputer der wirklich etwas gerechnet hat. Hat aber nur 7 Bit Kapazität. Da läuft kein Windows drauf, aber man kann die Zahl 15 schneller faktorisieren als jeder andere Computer das könnte.

    Die Vorstellung von dem komplizierten Laborexperiment dürfte dem wohl erstmal näher kommen als “Windows Quantum”.

    Ob Quantencomputer überhaupt jemals in die Region kommen, in brauchbarer Größe rechnen zu können oder gar normale Computer zu ersetzen bezweifeln viele. Klar ist aber: Wenn es jemals einen Quantencomputer geben sollte, wird noch sehr sehr viel Forschung auf dem Weg dahin nötig sein. “Windows Quantum” gibt’s dann vielleicht in einigen Jahrzehnten oder Jahrhunderten. Oder nie.

  3. #3 Dietmar
    24. August 2013

    Das ist wunderbar erklärt und illustriert! Sehe ich mir bestimmt noch mehrfach an.

  4. #4 Bruno
    24. August 2013

    Ich bin zwar Informatiker, aber hab Quanten-Computing noch nicht ansatzweise verstanden. Das Hauptproblem was ich habe ist, dass man wie in dem Video gezeigt die Berechnung nicht beobachten kann, sondern der Quantencomputer wirft ein Ergebnis aus und bei dem weiß man nicht, ob das jetzt korrekt ist oder nicht.

  5. #5 Björn
    24. August 2013

    Na, also, das klingt doch erst mal ganz interessant… Wenn auch nicht unbedingt verständlich.
    Irgendwie bekomme ich auch den Eindruck, dass ein vollständiger Computer, so wie wir ihn heute kennen, damit nicht zu machen sein wird. Ich denke da auch eher an sowas wie ein Laborexperiment. Moderne Computer-Logiken arbeiten ja von Grund auf anders – und dementsprechend auch deren Betriebssysteme. Bin da selbst Laie – aber der Begriff einer “Turing-Maschine” kommt mir da in den Sinn. Sowas ist ein Quanten-Computer wahrscheinlich nicht… vielleicht kann man sowas darin “abbilden” – aber ob das deren Kernkompetenz nicht bei weitem unterschreitet (und sich daher überhaupt nicht lohnen würde), weiß ich nicht…
    Was ich mir aber viel eher denken kann – zumindest für die nahe Zukunft -, ist eine Kombination aus “klassischem” Rechner mit Quanten-Hilfs”prozessor”. So in der Art, dass der klassische Rechner seinem Quanten-Kollegen spezielle Aufgaben stellt, die der dann “löst”. Wie Verschlüsselung o.ä. Anschließend könnte man dann am Quanten-Rechner einen Lösungsvorschlag abholen – und auf klassische Weise testen, ob die Lösung Sinn macht- ob man sozusagen das “richtige” Ergebnis bekommen hat. Sonst stellt man die Aufgabe einfach nochmal – so lange, bis das Ergebnis entweder “richtig” oder “brauchbar” ist. Ich kann mir vorstellen, dass das bei manchen Problemen tatsächlich Sinn ergibt. Ist natürlich jetzt echt ein Pipe-Dream eines moderat interessierten Laien. Hoffe, das Konzept ist einigermaßen klar geworden.
    Aber gibt es nicht sogar eine Firma, die schon im letzten Jahf mit Quanten-Rechnern auf den Markt gekommen ist? Hieß auch irgendwas wie “Q-Bit” oder so… kann es auf Anhieb nicht mit dem Smartphone finden…

  6. #6 misterkanister
    24. August 2013

    Es gibt schon kommerzielle Quantencomputer der Firma D-Wave, z.B. hat Google und die Nasa einen gekauft um damit künstliche Intelligenz zu erforschen. Diese Computer sind aber nur für bestimmte Probleme spezialiert. D-Wave behauptet ihre QC wäre schon bei 512 qbit .

  7. #7 misterkanister
    24. August 2013

    Einer kostet glaub ich 100 millionen.

  8. #8 misterkanister
    24. August 2013

    Grundlegende Probleme, kann man damit nicht lösen, aber andere viel schneller. Man kann üprigens auch QC auf normalen PCs simulieren.

  9. #9 misterkanister
    24. August 2013

    sry für dritten post. Um QC zu verstehen, muss man Quantenfeldtheorie verstehen, das kann weder Florian noch andere Leser hier. Fragt mal bei “Hier wohnen Drachen” nach.

  10. #10 Chemiker
    24. August 2013

    @ misterkanister

    Um QC zu verstehen, muss man Quantenfeldtheorie verstehen

    So schlimm ist es nicht. Ordinäre nicht­relativisti­sche Quanten­mechanik reicht; MartinB hat da auch eine schöne Serie dazu geschrieben, die nur drei Artikel lang ist:
    https://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2013/01/05/quantenzustaende/

  11. #11 someone
    24. August 2013

    Eine richtig gute Erklärung zu Quantencomputern und QBits gibt es in dieser Playlist:
    https://www.youtube.com/watch?v=IcrBqCFLHIY&list=PLkahZjV5wKe_dajngssVLffaCh2gbq55_

    Die ersten beiden Videos sind allerdings noch über klassische Transistoren (aber trotzdem recht interessant!).

  12. #12 MartinB
    24. August 2013

    @Chemiker
    Und von da aus wäre es gar nicht mehr so weit, im Detail den Quantencomputer zu verstehen.
    Kurz gesagt besteht der Trick darin, eine Überlagerung unterschiedlicher Zsutände zu überzeugen, und dann mit dieser Überlagerung zu rechnen. Aber auch der einfachste Algorithmus ist immer noch knifflig. Wenn ich mal wieder für so was Zeit habe, schreibe ich was dazu…

  13. #13 Florian Freistetter
    24. August 2013

    @misterkanister: ” Um QC zu verstehen, muss man Quantenfeldtheorie verstehen, das kann weder Florian noch andere Leser hier.”

    Naja, völlig ahnungslos bin ich nicht. Ein bisschen QFT versteh ich schon. Aber mich hat ja eher die Praxis des fertigen QCs interesssiert und nicht so sehr der theoretische Hintergrund.

  14. #14 Chemiker
    24. August 2013

    Wenn ich mal wieder für so was Zeit habe, schreibe ich was dazu…

    ++

  15. #15 Luk
    24. August 2013

    @Misterkanister

    Der D-Wave ist 1.) keiner Quantenkomputer im herkömmlichen sinn und
    2.) wird angezweifel das quanteneffekte bei dem gerät überhaupt eine rolle spielen.

    Somit ist das eher ein angeblicher-quasi-quantencomputer.

    Bei weiterem interesse weiss google mehr.

  16. #16 Stefan W.
    https://demystifikation.wordpress.com/2013/08/24/du-cduisch/
    25. August 2013

    Windows-Q kann darauf nicht laufen, denn auf einem Quantencomputer sind immer alle Viren gleichzeitig aktiv sein und überlagern sich gegenseitig. Wenn der Virenscanner nachsieht welcher Virus gerade aktiv ist legt sich der erst fest. Es sind übrigens immer alle Virenscanner gleichzeitig aktiv und auch nicht aktiv.

    Das beste werden die Fortschrittsbalken sein, die in alle Richtungen wachsen und schrumpfen – wir Fachleute sprechen vom Wabern.

  17. #17 Compuholic
    25. August 2013

    Aber auch QC könnten nur bestimmte Arten von Problemen schnell lösen. Wenn man mal annimmt, dass QC die gleiche Taktfrequenz erreichen können, wie konventionelle Computer hilft es immer noch nichts bei Problemen, die viele sequentielle Arbeitsschritte erfordern.

    Allerdings stampfen sie bei Problemen bei denen normalerweise mehrere Lösungen nacheinander ausprobiert werden müssen jeden konventionellen Computer in den Boden.

  18. #18 rolak
    25. August 2013

    Wie funktioniert ein Quantencomputer? Keine Ahnung.

    🙂 Beim Lesen des Titels im Feed schwebte vor meinen Augen sofort als zweiter Satz ‘Weiß ich auch nicht.’

    auch mal ne Runde Minesweeper

    Selbstverständlich nicht, Florian – ab dem Windows wird Minetangler ausgeliefert werden, mit dem Du die bei anderen Ordinär-Win-usern auftretenden Problemchen löst und sie dadurch mit verschränkten Armen auf großen Quanten um die Minen tänzeln läßt.

    Der clip und die playlist gefallen mir sehr gut.

  19. #19 Urpils
    25. August 2013

    Das Video hat mir gut gefallen, weil es die Eigenschaften eines Quantencomputersystems nochmal ordentlich zusammenfasst – leider sind DAS genau die Dinge, die immer wieder in verschiedenen Bereichen versucht werden zu fassen.

    Was ich bisher jedoch noch nicht gefunden habe ist eine wirklich ausführliche Erläuterung der Dinge, die über die Eigenschaften hinausgehen. Welche Algorithmen wurden bisher entwickelt und was tun sie? warum funktionieren sie? wie sieht das ganze “praktisch” in den bisherigen Laborexperimenten aus?
    Welche Fragestellungen/Berechnungen lassen sich mit aktuellen Erkenntnissen erreichen und welche in Zukunft?

    dennoch – schönes Video – danke für den Verweis!

  20. #20 physicus
    26. August 2013

    @Urpils

    Wie das praktisch aussieht hängt sehr von den Verwendeten Systemen ab. Kandidaten sind:

    1.Ionen:
    https://heart-c704.uibk.ac.at/index.html?https://heart-c704.uibk.ac.at/people/rainer.blatt/

    2. (neutrale) Atome:
    https://www.mpq.mpg.de/cms/mpq/en/departments/quanten/homepage_cms/projects/qip/index.html

    3. Quantum dots:
    4. Stickstoff-Fehlstellen Zentren in Diamanten

    Zu 3 und 4 kenne ich leider keine Gruppen die sich damit beschäftigen müsste sich aber über google herausfinden lassen.

    Bei Ansätzen 1/2 wird jeweils ein komplettes Laserlabor dazu benötigt die Systeme haben aber den Vorteil das sie Sich gut kontrolieren lassen und störeinflüsse bekannt und zum Teil kontrollierbar sind.

    Bei Ansätzen 3/4 muss man nicht erst Atome/Ionen fangen und Kontrollieren sondern nutzt defekte/besondere Stellen in Festkörpern. Jedoch treten hier zahlreiche Festkörpereffekte auf welche sich störend auswirken und schwerer zu kontrollieren sind. Dafür sind die Systeme sehr Kompakt. Wenn es mal einen Quantencomputer im Desktopformat geben sollte wird er sehr wahrscheinlich aus 3/4 bestehen.

  21. #21 Buch
    26. August 2013

    Minesweeper wird dann spannend.
    Da entscheidet es sich erst beim draufklicken, ob darunter ne Bombe ist oder nicht 🙂

  22. #22 rolak
    26. August 2013

    erst beim draufklicken

    Nu ja, Buch, solange dies nicht aus dem Rahmen der Freiheitsgrade des Klick-Quadrates fällt, ändert sich dadurch aber rein gar nix für den Zocker.

  23. #23 Definition
    27. August 2013

    Also, um das Wesentliche zusammenzufassen, steht man beim Quantencomputer vor der Herausvorderung die vielen quantenmechanischen Systeme dauerhaft miteinander zu verschränken. Wenn man das aber erstmal geschafft hat, erhält man eine sehr hohe Rechenleistung aufgrund die vielen Kombinationsmöglichkeiten der Zustände.

    @Bruno
    Der Computer rechnet schon richtig, sofern man ihn richtig baut und nur sinnvolle Sachen reinsteckt (garbage in, garbage out). Die Stelle im Video sollte nur verdeutlichen wie schwer es ist die Verschränkung aufrecht zu erhalten. (Bei ungewollten Wechselwirkungen ist die Verschränkung dahin.) Normalerweise willst du ja auch nicht den Rechner aufschrauben und beim Rechnen zugucken, sondern wartest einfach auf das Ergebnis.

  24. #24 Vortex
    11. März 2016

    Eine virtuelle Simulation, ein interaktiver
    Quantencomputer – Baukasten ist hier zu finden.

    Muß mich aber erst einlesen. 🙂

  25. #25 Die Zweckentfremdung der DNA (Teil 2): Rechner der Zukunft? – BioInfoWelten
    17. August 2016

    […] Sind wir damit an die Grenzen der Rechentechnik gestoßen? Sicher nicht. Wir müssen die Silizium-Straße verlassen und nach neuen Wegen suchen. Das können neue Materialien sein, oder aber völlig neue Konzepte. Richard Feynman — einer der großen Physiker des 20. Jahrhunderts — hatte schon 1959 die Idee, Rechenprozesse auf der Ebene von Molekülen und Teilchen durchzuführen. Und heute wird genau auf diesen Ebenen der Rechentechnik geforscht: die Rede ist von DNA-Computern und Quantencomputern (von letzteren habe ich keine Ahnung, da müsst ihr euch an die Physiker wenden). […]

  26. #26 DNA als Rechner der Zukunft? | Bioinformatik
    18. Oktober 2016

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