Die Rechenleistung erreicht einen Krisenpunkt. Wenn wir weiterhin dem seit der Einführung von Computern bestehenden Trend folgen, werden wir bis 2040 nicht in der Lage sein, alle Maschinen der Welt mit Strom zu versorgen, es sei denn, wir können Quantencomputer knacken.
Quantencomputer versprechen schnellere Geschwindigkeiten und robustere Sicherheit als ihr klassisches Gegenstück, und Wissenschaftler streben seit Jahrzehnten danach, einen Quantencomputer zu entwickeln.
Was ist Quantum und wie hilft es uns?
Quantencomputing unterscheidet sich von klassischem Computing in einer grundlegenden Weise – der Art und Weise, wie Informationen gespeichert werden. Quantum Computing macht das Beste aus einer seltsamen Eigenschaft der Quantenmechanik, die Superposition genannt wird. Dies bedeutet, dass eine „Einheit“ viel mehr Informationen enthalten kann als das Äquivalent in der klassischen Computertechnik.
Informationen werden in „Bits gespeichert “ im Zustand „1 ‘ oder ‚0 ,’ wie ein Lichtschalter, der ein- oder ausschaltet. Im Gegensatz dazu kann Quantencomputer eine Informationseinheit enthalten, die „1 sein kann ,’ ‘0 ,’ oder eine Überlagerung der beiden Zustände .
Stellen Sie sich eine Überlagerung als Kugel vor. „1 ‘ steht am Nordpol und ‘0 ‘ steht im Süden geschrieben – zwei klassische Bits. Ein Quantenbit (oder Qubit) kann jedoch irgendwo zwischen den Polen gefunden werden.
„Quantenbits, die gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden können, bieten ein revolutionäres, leistungsstarkes Paradigma, bei dem Informationen effizienter gespeichert und verarbeitet werden“, sagte Dr. Kuei-Lin Chiu 2017 gegenüber Alphr. Dr. Chiu war Forscher für das quantenmechanische Verhalten von Materialien am Massachusetts Institute of Technology.
Die Fähigkeit, eine viel größere Menge an Informationen in einer Einheit zu speichern, bedeutet, dass Quantencomputer schneller und energieeffizienter sein können als Computer, die wir heute verwenden. Warum ist es also so schwer zu erreichen?
Qubits erstellen
Qubits, das Rückgrat eines Quantencomputers, sind schwierig herzustellen und, einmal etabliert, noch schwieriger zu kontrollieren. Wissenschaftler müssen sie dazu bringen, auf eine bestimmte Weise zu interagieren, die in einem Quantencomputer funktionieren würde.
Forscher haben versucht, supraleitende Materialien, in Ionenfallen gehaltene Ionen, einzelne neutrale Atome und Moleküle unterschiedlicher Komplexität zu verwenden, um sie aufzubauen. Es erweist sich jedoch als schwierig, sie dazu zu bringen, Quanteninformationen für lange Zeit festzuhalten.
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In jüngsten Forschungsarbeiten haben Wissenschaftler des MIT einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem ein Cluster einfacher Moleküle aus nur zwei Atomen als Qubits verwendet wird.
„Wir verwenden ultrakalte Moleküle als ‚Qubits‘“, sagte Professor Martin Zwierlein, Hauptautor der Veröffentlichung, 2017 gegenüber Alphr. „Moleküle werden seit langem als Träger von Quanteninformationen vorgeschlagen, mit sehr vorteilhaften Eigenschaften gegenüber anderen Systemen wie Atomen, Ionen , supraleitende Qubits etc. „Hier zeigen wir erstmals, dass man solche Quanteninformationen über längere Zeiträume in einem Gas aus ultrakalten Molekülen speichern kann. Natürlich muss ein späterer Quantencomputer auch Berechnungen anstellen, zum Beispiel die Qubits miteinander interagieren lassen, um sogenannte „Gates“ zu realisieren. Zwierlein weiter:„Aber zuerst muss man zeigen, dass man Quanteninformationen überhaupt festhalten kann, und das haben wir getan.“
Die am MIT erstellten Qubits hielten die Quanteninformationen länger fest als frühere Versuche, aber immer noch nur für eine Sekunde. Dieser Zeitrahmen mag kurz klingen, ist aber „tatsächlich in der Größenordnung von tausend Mal länger als ein vergleichbares Experiment, das durchgeführt wurde“, erklärte Zwierlein.
Kürzlich gelang Forschern der University of New South Wales ein bedeutender Durchbruch beim Vorstoß in Richtung Quantencomputer. Sie erfanden einen neuen Qubit-Typ namens Flip-Flop-Qubit, der das Elektron und den Kern eines Phosphoratoms verwendet. Sie werden durch ein elektrisches Signal statt durch ein magnetisches gesteuert, wodurch sie leichter zu verteilen sind. Das „Flip-Flop“-Qubit funktioniert, indem es das Elektron mithilfe eines elektrischen Felds vom Kern wegzieht und so einen elektrischen Dipol erzeugt.
Jenseits von Qubits
Es sind jedoch nicht nur Qubits, die Wissenschaftler herausfinden müssen. Sie müssen auch das Material bestimmen, um Quantencomputing-Chips erfolgreich herzustellen.
Chius Artikel, der Anfang 2017 veröffentlicht wurde, fand ultradünne Materialschichten, die die Grundlage für einen Quantencomputerchip bilden könnten. Chiu sagte zu Alphr:„Das Interessante an dieser Forschung ist, wie wir das richtige Material auswählen, seine einzigartigen Eigenschaften herausfinden und seinen Vorteil nutzen, um ein geeignetes Qubit zu bauen.“
„Das Mooresche Gesetz sagt voraus, dass sich die Dichte von Transistoren auf Siliziumchips ungefähr alle 18 Monate verdoppelt“, sagte Chiu gegenüber Alphr. „Allerdings werden diese immer kleiner werdenden Transistoren schließlich eine kleine Größenordnung erreichen, in der die Quantenmechanik eine wichtige Rolle spielt.“
Moores Gesetz, auf das sich Chiu bezog, ist ein Computerbegriff, der 1970 von Intel-Mitbegründer Gordon Moore entwickelt wurde. Es besagt, dass sich die Gesamtverarbeitungsleistung von Computern etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Wie Chiu feststellt, nimmt die Dichte der Chips ab – ein Problem, das Quantencomputing-Chips möglicherweise lösen können.
Ist Quantencomputing die ultimative Vaporware?
Was ist Vaporware?
Falls Sie noch nie von dem Begriff Vaporware gehört haben, handelt es sich im Wesentlichen um ein softwarebezogenes Produkt, das beworben wird, aber noch nicht verfügbar ist oder möglicherweise nie verfügbar wird. Ein Beispiel ist ein Softwareprodukt, das stark vermarktet wurde, aber nie das Licht der Welt erblickte.
Obwohl Menschen seit Jahrzehnten optimistische Vorhersagen über die Auswirkungen von Quantencomputern und die verschiedenen Fortschritte in Geschäfts- und Forschungsumgebungen machen, wie nahe sind wir dem Traum vom Quantencomputing? Ist diese Situation eine Vorhersage zukünftiger Vaporware oder wird sie zu etwas Nützlichem?
Wir vertiefen uns in einem anderen Artikel in die Realität des Quantencomputings. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Quantencomputer in den nächsten ein oder zwei Jahren wahrscheinlich eine sehr unrealistische Berechnung schneller durchführen wird als ein herkömmlicher Computer. Es wird jedoch kein einfacher Prozess sein, und es wird nicht billig oder vorteilhaft für den täglichen Verbraucher sein.