Mit Quanten rechnen: Quantencomputer für Neugierige PDF
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Beatrice Marie Ellerhoff Mit Quanten rechnen Quantencomputer für Neugierige essentials essentials liefern aktuelles Wissen in konzentrierter Form. Die Essenz dessen, worauf es als „State-of-the-Art“ in der gegenwärtigen Fachdiskussion oder in der Praxis ankommt. essentials informieren schnell, unkompliziert und verständlich • als Einführung in ein aktuelles Thema aus Ihrem Fachgebiet • als Einstieg in ein für Sie noch unbekanntes Themenfeld • als Einblick, um zum Thema mitreden zu können Die Bücher in elektronischer und gedruckter Form bringen das Expertenwissen von Springer-Fachautoren kompakt zur Darstellung. Sie sind besonders für die Nutzung als eBook auf Tablet-PCs, eBook-Readern und Smartphones geeignet. essentials: Wissensbausteine aus den Wirtschafts-, Sozial- und Geisteswissen- schaften, aus Technik und Naturwissenschaften sowie aus Medizin, Psychologie und Gesundheitsberufen. Von renommierten Autoren aller Springer-Verlags- marken. Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13088 Beatrice Marie Ellerhoff Mit Quanten rechnen Quantencomputer für Neugierige Beatrice Marie Ellerhoff Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg Heidelberg, Baden-Württemberg Deutschland ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic) essentials ISBN 978-3-658-31221-3 ISBN 978-3-658-31222-0 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-31222-0 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio- grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Lisa Edelhaeuser Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wies- baden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Was Sie in diesem essential finden können • Die Funktionsweise von Quantencomputern • Eine anschauliche Erklärung von Quantenverschränkung • Wie Quanten zum Rechnen verwendet werden können • Die Herleitung von Quantenalgorithmen, einfach erklärt • Die Verfahren und Bedeutung der Quantenfehlerkorrektur • Aktuelle Herausforderungen und mögliche Anwendungen von Quanten- computern V Vorwort Die Phänomene der Quantenmechanik faszinieren schon lange nicht mehr nur die Forschungswelt. Die bizarren Eigenschaften der winzigen Bausteine unsere Materie, genannt Quanten, wecken breite Neugierde: Ihre Nutzbarmachung hat das Potential, Quantencomputern mit einer Rechenleistung zu versehen, die exponentiell schneller ist als die der besten Hochleistungsrechner unserer Zeit. Daher ist ihre Entwicklung von großer Bedeutung für Forschung, Industrie und Gesellschaft. Das vorliegende Büchlein geht den Quantenphӓnomenen der Ver- schränkung und Überlagerung sowie der Frage, wie sie zum Rechnen verwendet werden können, auf den Grund. Es hat zum Ziel, lebendig und anschaulich ein Verständnis für die Vorgӓnge in Quantencomputern zu schaffen. Beginnend mit der Kodierung von Information, über die Erklärung einfacher Algorithmen, bis hin zu möglichen Anwendungen, freue ich mich darauf, die neugierigen Leserinnen und Leser durch die Welt des Quantenrechnens zu führen. Dieses Büchlein sei meinem Vater gewidmet, der die Neugierde für die Wissenschaft in mir geweckt hat. Ich bin sehr froh, als junge Forscherin die Chance zu erhalten, diese Begeisterung weiterzugeben und danke allen, die dabei mitwirken. Einen besonderen Dank möchte ich aussprechen an Tim Ellerhoff für die liebevolle Unterstützung und an Amelie Scupin, Bruno Faigle-Cedzich, Christopher Lance, Shirin Ermis und Uli Schünemann für das gründliche und kritische Lesen des Textes. Heidelberg Beatrice Marie Ellerhoff Juni 2020 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ................................................. 1 2 Quantenrevolution ......................................... 3 2.1 Quantenmechanik in unserem Alltag ........................ 3 2.2 Unvorstellbares Rechenpotential ........................... 6 3 Grundbausteine des Quantenrechnens ......................... 9 3.1 Von Bits zu Quantenbits .................................. 9 3.2 Quantenvorteil durch Verschränkung ........................ 12 3.3 Quantengatter und -algorithmen ........................... 15 4 Quantencomputer heute und morgen .......................... 21 4.1 Die Suche nach der optimalen Hardware ..................... 21 4.2 Das Problem der Dekohärenz ............................. 25 4.3 Die Zukunft des Quantenrechnens .......................... 29 5 Zusammenfassung .......................................... 33 Glossar ...................................................... 37 Literatur ..................................................... 39 IX Über die Autorin Beatrice Marie Ellerhoff ist Doktorandin am Institut für Umweltphysik in Heidelberg. Bereits wӓhrend ihres Physikstudiums an der Uni- versität Heidelberg schrieb sie für den Blog www. manybodyphysics.com und das Science Notes Magazin. Sie arbeitete vier Jahre lang als HiWi am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung unter anderem in der Gruppe von Nobelpreisträger Stefan Hell. In ihrer Masterarbeit untersuchte sie die Verschränkung von vielen ultrakalten Quanten- teilchen. Im Rahmen ihrer Promotion am Institut für Foto: Ute von Figura Umweltphysik wendet sich Beatrice Ellerhoff nun der makroskopisch greifbaren Welt zu und erforscht die Grundlagen von Klimaschwankungen auf langen Zeitskalen in der Gruppe von Kira Rehfeld. Dabei fasziniert sie insbesondere die tiefe Verflechtung physikalischer Konzepte über einzelne Disziplinen hinweg. Neben der Forschung zӓhlt Laufsport und Jazzpiano zu ihren großen Leidenschaften. Sie ist Stipendiatin der Heidelberger Graduiertenschule für fundamentale Physik. Beatrice Marie Ellerhoff, Institut für Umwelt- physik Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 229, 69120 Heidelberg. XI 1 Einleitung AusphysikalischerSichtwurdedasvergangeneJahrhundertwesentlichdurchdie Quantenmechanik geprägt. Neben Albert Einstein’s Relativitätstheorie führte vor allem die Quantentheorie zu einem Paradigmenwechsel, der den wissenschaftli- chen Blick auf die Gesetze der Natur grundlegend änderte. Seitdem Niels Bohr 1913 ein erstes Atommodell mit quantenmechanischen Eigenschaften vorgestellt hat,beschreibenPhysikerinnenundPhysikerdieWeltderkleinstenTeilcheninder SprachederQuantenmechanik.EnergieundMaterieliegenhierbeinichtkontinuier- lichsondernstückweise„inQuanten“ vor.DieQuantenmechanikgehtsogarnoch weiter,indemsienichtalleineStrahlungsondernauchMateriealsWellenbeschreibt –LichtquantensindWelleundTeilchenzugleich. Diese moderne Physik schuf die Grundlage für eine Vielzahl neuer Errun- genschaften.Von der Entdeckunggrundlegender Prinzipien bis hin zu den ersten Anwendungen,wieetwademLaser,wareseinerstaunlichkurzerWeg.Nunbahnt sich ein weiterer „Quantensprung“ an: In Zukunft sollen Quanten zur Informa- tionsverarbeitung genutzt werden und so nie dagewesene Computerarchitekturen ermöglichen.QuantencomputerkönntendieRechenleistungheutigerSuperrechner um ein Vielfaches überbieten und dadurch noch ungelöste Fragen, zum Beispiel imBereichderMedikamentenentwicklung,beantworten.Heutearbeitenzahlreiche ForschungsgruppenundUnternehmenintensivdaran,diesenQuantencomputeraus seinenKinderschuhenzuholenundversprechensichneueErkenntnissefürviele BereichederIndustrieundForschung. ©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH,einTeilvonSpringerNature2020 1 B.M.Ellerhoff,MitQuantenrechnen,essentials, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31222-0_1
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