Frage von SUIengineer, 149

Was ist ein Quantencomputer?

Antwort
von ralfneumann1977, 89

EIn Quantencomputer arbeitet im Unterschied zum klassischen Computer nicht mit elektrischen Signalen, sonden mit der Quantenverschränkung.

Also mit bestimmen Zuständen von Quanten.

Das hammer mega interessante daran ist die magie, welche dahinter steckt. So wie ich das verstanden habe, spielt bei der Zustandsänderung die räumliche Distanz keine Rolle, beide Zustände sind SOFORT die gleichen, ändert man einen davon. Quasi mit Überlichtgeschwindigkeit.

Kommentar von GelbeForelle ,

widersprechen Quantencomputer nicht Moores law? oder der Aufhebung der Leistungssteigerung bei konstanter Fläche ? sry, kenn mich da auch nez aus, wollte bloß mal wissen...

Kommentar von ralfneumann1977 ,

Ja es verstößt gegen die Annahme der Lokalität, die eine der Grundannahmen der klassischen Physik ist. Deshalb spreche ich hier ja von "magie", absulut faszinierend :)

Kommentar von NoHumanBeing ,

Nein, auch per Quantenverschränkung lässt sich nicht mit Überlichtgeschwindigkeit kommunizieren. Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie werden durch die Quantenverschränkung nicht verletzt.

Die Quantenverschränkung erlaubt es nämlich nicht, gezielt Informationen auszutauschen. Das einzige, was sie erlaubt, ist, dass an zwei verschiedenen Orten zeitgleich der gleiche Quantenzustand gemessen wird. Dadurch kann aber keine Informationsübertragung stattfinden, weil niemand festlegen kann, welcher Quantenzustand gemessen wird.

Du bekommst zeitgleich an beiden Orten einen Zufallswert und das einzige, was Du weißt, ist, dass er der gleiche ist. Damit kannst Du aber keine Information übermitteln, weil er ja vollkommen zufällig und für beide Parteien, die messen, unbeeinflussbar ist. Sobald Du auch nur validieren möchtest, dass der gemessene Wert auch tatsächlich identisch ist, musst Du diese Information bereits "unterlichtschnell" übermitteln. Du "gewinnst" durch die Nichtlokalität überhaupt nichts, insbesondere trägt die Quantenverschränkung keinerlei Information. Deswegen ist die spezielle Relativitätstheorie auch nicht verletzt.

Kommentar von ralfneumann1977 ,

Danke für deine gute Erklärung!!! Ich Frage mich grade, was ein Quantencomputer dann für einen nutzen haben soll, erzeugt dieser lediglich Zufallswerte?!?Denn mit Zufallswerten lassen sich doch weder Informationen übertragen, noch können mit Zufallswerten Dinge berechnet werden. Oder sieht das bei dem Superpositionsprinzip komplett anders aus?

Kommentar von NoHumanBeing ,

Ein Quantencomputer wird sehr gut darin sein, gute Zufallszahlen zu erzeugen, aber das kann man auch ohne Quantencomputer machen, indem man beispielsweise die "Rauschspannung" an einer Halbleiterdiode misst.

Ein Quantencomputer kann bestimmte Operationen, die für einen Digitalrechner sehr aufwändig sind, "in einem Schritt" durchführen, weil es für das Quantensystem eine "elementare Operation" ist.

Ein Beispiel wäre die Fouriertransformation. Auf einem Digitalrechner ist diese sehr rechenaufwändig. Auf einem Quantencomputer ist sie ein einzelnes "Gatter" (eine einzelne elementare Operation).

Ein Quantencomputer gibt immer nur ein Ergebnis aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung heraus. Allerdings kann man diese Wahrscheinlichkeitsverteilung bei Problemen, bei denen es nur "ein richtiges Ergebnis" gibt, so anpassen, dass "mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit der gewünschte Wert herauskommt".

Antwort
von NoHumanBeing, 75

Da ist man sich noch gar nicht so sicher.

Die Definition von Wikipedia ist jedenfalls ungeeignet.

Ein Quantencomputer bzw. Quantenrechner ist ein Computer, dessen Funktion auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruht.

Das dürfte im Grunde auf jeden Computer zutreffen. ;-)

Ein wesentlicher Unterschied ist, dass ein Quantencomputer nicht mit binären Zuständen (Bits), sondern mit kontinuierlichen komplexwertigen Zuständen arbeitet, die sich gewissermaßen als Betrag und Phase ausdrücken lassen.

Durch das Vorhandensein der Phase können diese Zustände dann interferieren und sozusagen "Mischzustände" entstehen. Der Zustandsraum ist kontinuierlich. Im Grunde ist die Funktionsweise näher an den alten Analogrechnern, als an einem modernen Digitalrechner. Dementsprechend haben Quantencomputer auch starke Probleme mit Rauschen (und Dekohärenz). Die meisten Systeme müssen daher auf sehr niedriger Temperatur (nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt) betrieben werden, was das Rauschen minimiert (und die Dekohärenz verlangsamt).

Ein weiterer Unterschied ist, dass beim klassischen Computer die Information (Bits) "Energie sind" und gewissermaßen "bewegt werden" und die Operationen (Gatter) ortsfeste Hardware sind. Bei einem Quantencomputer ist es genau umgekehrt. Hier sind die Informationen (Qbits) ortsfest (und "in Hardware") und die Operationen (Gatter) "sind Energie" und "beweglich". Die Operationen können beispielsweise elektromagnetische Felder sein, die auf die Qbits wirken.

Der Quantencomputer ist aber noch ein weitgehend theoretisches Konzept. Es wurden einzelne Qbits realisiert und mit enormem Aufwand wurden darauf einzelne Operationen durchgeführt. Außerdem wurde die Schaltung für jede Folge von Operationen einzeln designed. Dass man die Rechner programmieren und anschließend automatisiert mit ihnen rechnen kann, damit ist man noch weit entfernt, geschweige denn, dass es eine "Prozessorarchitektur", geschweige denn ein "Betriebssystem", geschweige denn Programmiersprachen und Compiler gibt, um solche Systeme zu programmieren.

Kommentar von ralfneumann1977 ,

Was bringen Informationen die Ortsfest sind? Ich kapiere den Sinn und Zweck nicht. Was würde denn bei einer Übertragung beim Quantencomputer zu einem anderen beim Empfänger ankommen, die Gatter? :-D

Kommentar von NoHumanBeing ,

Was bringen Informationen die Ortsfest sind?

Du kannst mit ihnen rechnen.

Was würde denn bei einer Übertragung beim Quantencomputer zu einem anderen beim Empfänger ankommen, die Gatter? :-D

Nein, vermutlich würde man (zumindest in der "ersten Ausbaustufe") weiterhin "klassische" Information (Bits) übertragen. Der "Quantencomputer" wird nur ein Koprozessor sein, der bestimmte Berechnungen, für die effiziente Quantenalgorithmen verfügbar sind (z. B. die Faktorisierung großer Zahlen) übernimmt. Der Rest und auch die gesamte Information wird weiterhin auf klassischem Wege übertragen werden.

Quanteninformation lässt sich leider nicht über weite Strecken übertragen, weil Du dafür Router und Switches, zumindest aber Signalverstärker (Repeater) benötigst. Da das "No-Cloning-Theorem" verhindert, dass Du einen Quantenzustand "duplizierst", kannst Du das Signal nicht verstärken oder "verzweigen" oder sonstwie "auswerten". Es ist damit nahezu sicher, dass die Informationsübermittlung weiterhin über normale Digitaltechnik passieren wird. Auch die Datenspeicherung wird weiterhin "auf klassischem Wege" erfolgen, da Quantenzustände sehr "instabil" sind. Der "Quantencomputer" wird ein zusätzlicher Chip in einem klassischen Computer werden, der Spezialfunktionen übernimmt, wie es heute beispielsweise bei der GPU der Fall ist, die Grafikaufgaben übernimmt.

Kommentar von NoHumanBeing ,

Eine weitere Konsequenz des "No-Cloning-Theorems" ist, dass Daten, die "übertragen" wurden, danach wirklich "nicht mehr in Deinem Rechner sind" (sonst gäbe es ja eine Kopie). Und Du kannst sie ja auch "lokal" nicht kopieren. Noch ein Indiz dafür, dass die Quanteninformation selbst wohl kaum übertragen werden wird.

Kommentar von ralfneumann1977 ,

Du scheinst wirklich Ahnung von dem Thema zu haben und hast mir einige Fragen beantwortet ;) So wie ich dich verstanden habe wäre Quantenkoprozessor hier der besser definierte Begriff.

Aber das ist wahrscheinlich ähnlich wie mit dem gebräuchlichen Begriff "Atombome", der so garnichts mit dessen eigentliche Funktionsweise zu tun hat.

Kommentar von Exresearch ,

Ich verstehe zwar immer noch nicht wirklich wie ein quantencomputer funktioniert ,aber trotzdem danke.   ;-)

Kommentar von NoHumanBeing ,

Das versteht so gut wie keiner, da es bislang größtenteils theoretische Konstrukte sind, die bislang allenfalls im winzigen Maßstab (wenige Qbits) im Labor, in der Regel aber sogar nur auf dem Papier existieren.

Zumindest abgesehen von so genannten "adiabatischen Quantancomputern", die bereits praktisch realisiert werden konnten, aber nicht den Speedup bringen, den man eigentlich von Quantencomputern erwartet und auch nicht die quantenmechanischen Phänomene (Verschränkung, etc.) ausnutzen, die man üblicherweise von einem Quantencomputer erwartet.

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