Quantencomputer Informatik

Beispiel für die Rechenleistung eines Quantencomputers

Anwendung von Quantencomputern in der Informatik

In der Informatik lassen sich viele Anwendungen für Quantencomputer finden. Da sie Probleme in deutlich geringerer Zeit als konventionelle Systeme lösen können, sind sie besonders in Bereichen wie der Optimierung und kryptographischen Methoden nützlich. Bei Problemstellungen, die auf eine große Menge an möglichen Lösungen abzielen, kann ein Quantencomputer die geeignetste Lösung quasi sofort ermitteln.

Die IBM-Quantencomputer und ihre Bedeutung für die Informatik

IBM hat sich stark im Bereich der Quantencomputer Informatik engagiert und mehrere Modelle kommerzieller Quantensysteme veröffentlicht. Im Mittelpunkt steht hier das IBM Quantum Experience, eine in der Cloud verfügbare Quantencomputer-Plattform. Mit diesem Tool können Forscher und Studierende Quantenrechenoperationen und -algorithmen in einer realen Hardwareumgebung ausprobieren.

Der Fortschritt, den IBM in der Entwicklung von Quantencomputern gemacht hat, zeigt sich in ihren Geräten. Deren Quantenprozessoren reichen von 5 Qubits (wie im IBM Q 5) bis zu auffälligen 65 Qubits (wie im IBM Quantum Hummingbird). Die auf Robustheit getrimmten, kohärenten und stabilen Qubits, die IBM verwendet, ermöglichen präzise Quantenberechnungen und fördern so die Verbreitung und Verwendung von Quantencomputern in der Informatik.

Im Folgenden sind einige wichtige Meilensteine von IBM im Bereich Quantencomputer aufgeführt:

• 2019: IBM stellt einen 53-Qubit-Quantencomputer vor.
• 2020: IBM kündigt einen 65-Qubit-Quantencomputer, den Quantum Hummingbird, an.
• 2021: IBM plant, einen 1.000 Qubit Quantencomputer bis 2023 zu bauen.

Einzelne Anwendungsbeispiele in der technischen Informatik

Quantencomputer haben das Potenzial, eine Vielzahl von Problemen in der Informatik zu lösen, die bisher außerhalb der Reichweite herkömmlicher Computer lagen. Einige spezifische Anwendungsbeispiele sind:

Nachfolgend wird beispielhaft ein Quantenalgorithmus, der Grover's Algorithmus, vorgestellt.

  Code Beispiel Grover's Algorithmus:
  
  def quantum_grover(n, indices_of_marked_elements):
      """Create a circuit for Grover's algorithm"""
      grover_circuit = QuantumCircuit(n)
      grover_circuit.h(list(range(n)))
      for _ in range(int(pi/4*sqrt(2**n))):
          grover_circuit.append(phase_oracle(n, indices_of_marked_elements), list(range(n)))
          grover_circuit.append(diffuser(n), list(range(n)))
      grover_circuit.measure_all()
      return grover_circuit
  
  circ = quantum_grover(n=4, indices_of_marked_elements=[1, 5, 7, 10])
  circ.draw()

Das Potential der Quantencomputer in der Informatik

Das immens große Potential der Quantencomputer für die Informatik ist gerade dabei, Schritt für Schritt freigesetzt zu werden. Durch die außergewöhnliche Rechenleistung von Quantencomputern, die auf den quantenmechanischen Eigenschaften solcher Systeme beruht, öffnen sich ganz neue Türen in den verschiedensten Bereichen der Informatik. In Theorie und Praxis könnten Quantencomputer komplexe Probleme mit einer Effizienz und Geschwindigkeit lösen, die für herkömmliche digitale Rechner unerreichbar ist.

Neben der Verarbeitungsgeschwindigkeit ist auch die Fähigkeit der Quantencomputer, durch die Überlagerung von Quantenzuständen eine größere Informationsdichte bereitzustellen, ein Faktor, der ein enormes Veränderungspotential in die Informatik bringt.

Wie beeinflusst die Rechenleistung eines Quantencomputers die Informatik

Die überlegene Rechenleistung der Quantencomputer hat das Potential, die Informatik grundlegend zu verändern und neu zu gestalten. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur parallelen Berechnung von Daten und der Verarbeitung von großen Informationsmengen können Quantencomputer Aufgaben bewältigen, die außerhalb der Möglichkeiten klassischer Computer liegen.

Eine der wesentlichen Eigenschaften von Quantencomputern ist ihre Fähigkeit, Informationen nicht nur in Zuständen von 0 und 1 zu speichern, wie es herkömmliche Computer tun, sondern auch in überlagerten Zuständen, was als Quantenverschränkung bekannt ist. Dies bedeutet, dass ein Qubit, die kleinste Informationseinheit in einem Quantencomputer, mehrere Zustände gleichzeitig repräsentieren kann. Kombiniert man mehrere Qubits, erhöht sich die Anzahl der darstellbaren Zustände exponentiell mit der Zahl der Qubits. Dadurch können Quantencomputer mehr Daten gleichzeitig bearbeiten als klassische Computer.

Dieser Unterschied in der Verarbeitung von Daten führt dazu, dass Quantencomputer für spezielle Klassen von Berechnungsproblemen signifikant schneller sind als klassische Computer. Darüber hinaus ermöglicht die Rechenleistung von Quantencomputern Fortschritte in Bereichen, die für die Informatik von großer Bedeutung sind, wie etwa künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, Kryptographie oder die Simulation von chemischen Reaktionen, die es erlauben, neue Materialien oder Medikamente zu entwickeln.

Ein Ausblick auf die Zukunft mit Quantencomputern in der Informatik

Angesichts der atemberaubenden Möglichkeiten, die Quantencomputer für die Informatik bieten, wird die Zukunft sehr wahrscheinlich erhebliche Veränderungen in der Programmierung und im Umgang mit Daten mit sich bringen. Da immer mehr Unternehmen und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt Quantencomputer nutzen und weiter entwickeln, kann man erwarten, dass Quantenalgorithmen und -anwendungen in immer mehr Bereichen der Informatik und darüber hinaus zum Einsatz kommen werden.

Mit der stetig wachsenden Verfügbarkeit von Quantencomputern und quantencomputergestützter Software können Entwickler und Wissenschaftler beginnen, neue Algorithmen und Anwendungen zu erforschen, die diese leistungsstarke Technologie nutzen. Eines ist sicher: Die Quantencomputer werden die Informatik und in der Tat die gesamte Wissenschaft revolutionieren. Es könnte sogar sein, dass wir in nicht allzu ferner Zukunft Zeuge einer neuen Ära in der Informatik werden, in der Quantencomputer und Quanteninformation eine Schlüsselrolle spielen.

Die voranschreitende Entwicklung und Implementierung von Quantentechnologien lässt keinen Zweifel daran, dass die Zukunft der Informatik tiefgreifend von Quantencomputern beeinflusst wird. Es ist sowohl spannend als auch herausfordernd, als Informatiker*in diese bemerkenswerte Ära zu erleben und aktiv mit zu gestalten.