<?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="yes"?><rss version="2.0" xmlns:atom="http://www.w3.org/2005/Atom"><channel><title>Physik on kenji.blog</title><link>http://kenji.blog/de/tags/physik/</link><description>Recent content in Physik on kenji.blog</description><generator>Hugo -- gohugo.io</generator><language>de</language><copyright>kenjinote</copyright><lastBuildDate>Sat, 05 Sep 2026 22:10:00 +0900</lastBuildDate><atom:link href="http://kenji.blog/de/tags/physik/index.xml" rel="self" type="application/rss+xml"/><item><title>【Vollständige Analyse】Was ist ein Quantencomputer? ~Das ultimative Berechnungsprinzip von Grund auf verstehen~</title><link>http://kenji.blog/de/p/quantum-computer-basics/</link><pubDate>Sat, 05 Sep 2026 22:10:00 +0900</pubDate><guid>http://kenji.blog/de/p/quantum-computer-basics/</guid><description>&lt;img src="http://kenji.blog/p/quantum-computer-basics/quantum_basics_eyecatch_1788613712487.jpg" alt="Featured image of post 【Vollständige Analyse】Was ist ein Quantencomputer? ~Das ultimative Berechnungsprinzip von Grund auf verstehen~" />&lt;h2 id="einführung-der-paradigmawechsel-der-berechnung-den-quantencomputer-bringen">Einführung: Der &amp;ldquo;Paradigmawechsel der Berechnung&amp;rdquo;, den Quantencomputer bringen
&lt;/h2>&lt;p>In den letzten Jahren vergeht kein Tag, an dem man nicht den Begriff &amp;ldquo;Quantencomputer&amp;rdquo; in den Nachrichten oder in technischen Artikeln liest. Es kursieren wie in einem Science-Fiction-Film Gerüchte, dass &amp;ldquo;Berechnungen, für die heutige Supercomputer Tausende von Jahren bräuchten, in wenigen Minuten erledigt werden können&amp;rdquo; oder dass &amp;ldquo;alle aktuellen Verschlüsselungstechnologien geknackt werden könnten&amp;rdquo;. Von riesigen IT-Unternehmen wie Google, IBM und Microsoft bis hin zu Universitäten und Start-ups auf der ganzen Welt wetteifern alle darum, diese Traumtechnologie in die Praxis umzusetzen.&lt;/p>
&lt;p>Wenn man jedoch fragt: &amp;ldquo;Was genau ist ein Quantencomputer überhaupt?&amp;rdquo;, können nur wenige Menschen eine genaue Antwort geben. Viele haben die vage Vorstellung von einer &amp;ldquo;magischen Box, die alle Kombinationen gleichzeitig berechnen kann&amp;rdquo;, aber streng genommen ist das nicht korrekt.&lt;/p>
&lt;p>In diesem Artikel werden wir von Grund auf, detailliert und verständlich erklären, wie sich Quantencomputer grundlegend von klassischen Computern (den PCs und Smartphones, die wir normalerweise benutzen) unterscheiden, und wie sie merkwürdige quantenmechanische Phänomene wie &amp;ldquo;Überlagerung (Superposition)&amp;rdquo;, &amp;ldquo;Quantenverschränkung (Entanglement)&amp;rdquo; und &amp;ldquo;Quantengatter (Quantum gates)&amp;rdquo; für Berechnungen nutzen. Wenn Sie diesen Artikel zu Ende gelesen haben, sollten Sie die wahre Kraft der Quantencomputer und ihre aktuellen Herausforderungen klar verstanden haben.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="kapitel-1-der-entscheidende-unterschied-zwischen-klassischen-computern-und-quantencomputern">Kapitel 1: Der entscheidende Unterschied zwischen klassischen Computern und Quantencomputern
&lt;/h2>&lt;p>Um zu verstehen, wie ein Quantencomputer funktioniert, müssen wir zunächst rekapitulieren, wie die &amp;ldquo;klassischen Computer&amp;rdquo;, die wir derzeit verwenden, arbeiten.&lt;/p>
&lt;h3 id="vergleichstabelle-klassischer-computer-vs-quantencomputer">Vergleichstabelle: Klassischer Computer vs. Quantencomputer
&lt;/h3>&lt;table>
&lt;thead>
&lt;tr>
&lt;th>Merkmal&lt;/th>
&lt;th>Klassischer Computer&lt;/th>
&lt;th>Quantencomputer&lt;/th>
&lt;/tr>
&lt;/thead>
&lt;tbody>
&lt;tr>
&lt;td>&lt;strong>Grundeinheit&lt;/strong>&lt;/td>
&lt;td>Bit (0 oder 1)&lt;/td>
&lt;td>Qubit (Überlagerung von 0 und 1)&lt;/td>
&lt;/tr>
&lt;tr>
&lt;td>&lt;strong>Zustandsdarstellung&lt;/strong>&lt;/td>
&lt;td>Deterministisch&lt;/td>
&lt;td>Probabilistisch (bis zur Messung unbestimmt)&lt;/td>
&lt;/tr>
&lt;tr>
&lt;td>&lt;strong>Berechnungsmethode&lt;/strong>&lt;/td>
&lt;td>Sequenzielle Verarbeitung (Parallelisierung erfordert physische Kerne)&lt;/td>
&lt;td>Quantenparallelität (gleichzeitige Manipulation exponentieller Zustände)&lt;/td>
&lt;/tr>
&lt;tr>
&lt;td>&lt;strong>Stärken bei Berechnungen&lt;/strong>&lt;/td>
&lt;td>Grundrechenarten, alltägliche Datenverarbeitung&lt;/td>
&lt;td>Primfaktorzerlegung, quantenchemische Berechnungen&lt;/td>
&lt;/tr>
&lt;tr>
&lt;td>&lt;strong>Fehlertoleranz&lt;/strong>&lt;/td>
&lt;td>Sehr stark&lt;/td>
&lt;td>Sehr schwach (kryogene Umgebungen oder Fehlerkorrektur erforderlich)&lt;/td>
&lt;/tr>
&lt;/tbody>
&lt;/table>
&lt;h3 id="die-welt-der-klassischen-computer-bit-als-0-oder-1">Die Welt der klassischen Computer: &amp;ldquo;Bit&amp;rdquo; als 0 oder 1
&lt;/h3>&lt;p>Klassische Computer stellen alle Informationen in Form von entweder &amp;ldquo;0&amp;rdquo; oder &amp;ldquo;1&amp;rdquo; dar. Dies wird als &lt;strong>Bit&lt;/strong> bezeichnet. Physisch wird es dadurch repräsentiert, ob die Spannung eines Transistors auf einem Halbleiterchip hoch (1) oder niedrig (0) ist.
Auch die hochauflösenden Fotos auf Ihrem Smartphone, der Text, den Sie gerade lesen, oder Ihr Lieblings-YouTube-Video werden letztendlich auf eine riesige &amp;ldquo;Folge von 0 und 1&amp;rdquo; reduziert. Berechnung ist nichts anderes als der Prozess der Manipulation dieser Folge von 0 und 1 durch Kombination grundlegender Logikschaltungen wie AND (Konjunktion), OR (Disjunktion) und NOT (Negation).
Dies ist eine sehr sichere und deterministische Welt. Wenn die Eingabe gleich ist, wird immer dieselbe Ausgabe erhalten.&lt;/p>
&lt;h3 id="die-welt-der-quantencomputer-qubit-das-sowohl-0-als-auch-1-ist">Die Welt der Quantencomputer: &amp;ldquo;Qubit&amp;rdquo;, das sowohl 0 als auch 1 ist
&lt;/h3>&lt;p>Im Gegensatz dazu wird die kleinste Informationseinheit eines Quantencomputers als &lt;strong>Qubit (Quantum bit)&lt;/strong> bezeichnet.
Das Hauptmerkmal eines Qubits ist, dass es sich nicht wie ein klassisches Bit nur im Zustand &amp;ldquo;0&amp;rdquo; oder &amp;ldquo;1&amp;rdquo; befindet, sondern einen Zustand annehmen kann, in dem &amp;ldquo;0 und 1 mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit gemischt sind&amp;rdquo;. Dies wird als &lt;strong>&amp;ldquo;Überlagerung (Superposition)&amp;rdquo;&lt;/strong> bezeichnet.&lt;/p>
&lt;p>Wenn ein klassisches Bit beispielsweise eine Münze ist, die entweder &amp;ldquo;Kopf&amp;rdquo; oder &amp;ldquo;Zahl&amp;rdquo; nach oben zeigt, wird ein Qubit oft mit einer &amp;ldquo;Münze, die sich in der Luft dreht&amp;rdquo; verglichen. Bei einer sich drehenden Münze kann man nicht sagen, ob sie Kopf oder Zahl ist; beide Zustände überlagern sich. Und erst in dem Moment, in dem die Münze auf den Boden fällt und aufhört, sich zu bewegen (was in der Quantenmechanik als &amp;ldquo;Messung&amp;rdquo; bezeichnet wird), steht fest, ob es &amp;ldquo;Kopf&amp;rdquo; oder &amp;ldquo;Zahl&amp;rdquo; ist.&lt;/p>
&lt;p>Es ist diese Eigenschaft, die spezifisch für die mikroskopische Welt (Quantenmechanik) ist, bei der der Zustand erst bei der Messung bestimmt wird, die in den Informationsverarbeitungsprozess des Quantencomputers integriert ist.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="kapitel-2-drei-quantenmechanische-eigenschaften-die-die-berechnung-grundlegend-verändern">Kapitel 2: Drei quantenmechanische Eigenschaften, die die Berechnung grundlegend verändern
&lt;/h2>&lt;p>Die Quelle der erstaunlichen Rechenleistung von Quantencomputern liegt nicht einfach in höheren Taktfrequenzen oder kleineren Komponenten. Sie liegt darin, dass sie die physikalischen Gesetze selbst als Rechenressourcen nutzen. Die folgenden drei quantenmechanischen Phänomene sind der Schlüssel dazu.&lt;/p>
&lt;h3 id="1-überlagerung-superposition-und-exponentielle-informationsmenge">1. Überlagerung (Superposition) und exponentielle Informationsmenge
&lt;/h3>&lt;p>Wie bereits erwähnt, können Qubits gleichzeitig die Zustände 0 und 1 aufrechterhalten. Ein Qubit ist eine &amp;ldquo;Überlagerung von 0 und 1&amp;rdquo;, aber was passiert, wenn wir die Anzahl der Qubits erhöhen?&lt;/p>
&lt;ul>
&lt;li>1 Qubit: Überlagerung von 2 Zuständen (0, 1)&lt;/li>
&lt;li>2 Qubits: Überlagerung von 4 Zuständen (00, 01, 10, 11)&lt;/li>
&lt;li>3 Qubits: Überlagerung von 8 Zuständen&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>N Qubits: Überlagerung von $2^N$ Mustern&lt;/strong>&lt;/li>
&lt;/ul>
&lt;p>Mit nur 50 Qubits können $2^{50}$ (etwa 1,1 Billiarden) Zustände gleichzeitig aufrechterhalten werden. Und mit nur 300 Qubits kann eine Anzahl von Mustern ($2^{300}$ – mehr als die Anzahl aller Atome im Universum!) auf einmal gehalten werden. Diese exponentielle Fähigkeit, Informationen zu speichern, ist die Grundlage des Potenzials des Quantencomputers. Es ist physikalisch unmöglich, mit klassischen Computern mehr Zustände als die Anzahl der Atome im Universum im Speicher zu halten.&lt;/p>
&lt;h3 id="2-quantenverschränkung-entanglement-spukhafte-fernwirkung">2. Quantenverschränkung (Entanglement): Spukhafte Fernwirkung
&lt;/h3>&lt;p>Quantenverschränkung ist ein so seltsames Phänomen, das der menschlichen Intuition so sehr widerspricht, dass Einstein es als &amp;ldquo;spukhafte Fernwirkung (Spooky action at a distance)&amp;rdquo; bezeichnete und es zeit seines Lebens nicht akzeptierte.&lt;/p>
&lt;p>Wenn mehrere Qubits in einen Zustand der &amp;ldquo;Quantenverschränkung&amp;rdquo; eintreten, sind sie stark miteinander verbunden, in einer schicksalhaften Beziehung, in der &lt;strong>&amp;ldquo;wenn der Zustand eines Qubits bestimmt wird, der Zustand des anderen augenblicklich bestimmt wird, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind&amp;rdquo;&lt;/strong> .&lt;/p>
&lt;p>Angenommen, es gibt zwei verschränkte Qubits, A und B (jedes befindet sich in einer Überlagerung von 0 und 1). Wenn A gemessen wird und sich als &amp;ldquo;0&amp;rdquo; herausstellt, wird der Zustand von B augenblicklich (z. B. immer als &amp;ldquo;1&amp;rdquo;) bestimmt, wobei die Lichtgeschwindigkeit, die die Grenze für die Informationsübertragung ist, überschritten wird.
In einem Quantencomputer wird diese Quantenverschränkung genutzt, um komplexe Korrelationen zwischen mehreren Qubits darzustellen und eine massiv parallele Informationsverarbeitung durchzuführen. Ohne Verschränkung würde sich die Rechenleistung eines Quantencomputers nicht wesentlich von der eines klassischen Computers unterscheiden.&lt;/p>
&lt;h3 id="3-quanteninterferenz-quantum-interference-die-magie-die-richtige-antwort-hervorzubringen">3. Quanteninterferenz (Quantum Interference): Die Magie, die richtige Antwort hervorzubringen
&lt;/h3>&lt;p>Sie denken vielleicht: &amp;ldquo;Wenn alle Muster gleichzeitig gehalten werden können, können wir sie nicht alle auf einmal parallel berechnen und sofort eine Antwort erhalten?&amp;rdquo; Dies ist das häufigste Missverständnis in Bezug auf Quantencomputer.
Selbst wenn Berechnungen im überlagerten Zustand durchgeführt werden, müssen Sie am Ende &amp;ldquo;messen&amp;rdquo;, um die Antwort zu kennen. Im Moment der Messung kollabiert der Zustand jedoch zufällig in eines der $2^N$ Muster. Dies würde lediglich eine unsinnige (zufällige) Antwort liefern.&lt;/p>
&lt;p>Hier kommt die &lt;strong>&amp;ldquo;Quanteninterferenz (Interference)&amp;rdquo;&lt;/strong> ins Spiel. Wenn Wellen aufeinander treffen, verstärken sie sich dort, wo die Wellenlängen übereinstimmen, und heben sich dort auf, wo sie nicht übereinstimmen (das Prinzip ist im Wesentlichen dasselbe wie bei Noise-Cancelling-Kopfhörern).&lt;/p>
&lt;p>Gute &amp;ldquo;Quantenalgorithmen&amp;rdquo; manipulieren geschickt Quantenzustände während des Berechnungsprozesses, sodass &lt;strong>&amp;ldquo;die Wahrscheinlichkeitsamplituden von Zuständen (Wellen), die zur richtigen Antwort führen, sich gegenseitig verstärken (Verstärkung)&amp;rdquo;&lt;/strong> und &lt;strong>&amp;ldquo;die Wahrscheinlichkeitsamplituden von Zuständen, die zu falschen Antworten führen, sich gegenseitig aufheben (Auslöschung)&amp;rdquo;&lt;/strong> . Und wenn Sie schließlich messen, stellen sie sicher, dass die &amp;ldquo;richtige Antwort&amp;rdquo; mit einer Wahrscheinlichkeit von fast 100 % herausfällt. Das erfolgreiche Entwerfen dieses Interferenzprozesses ist die wahre Essenz der Quantenprogrammierung.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="kapitel-3-wie-wird-berechnet-quantengatter-und-quantenschaltkreise">Kapitel 3: Wie wird berechnet? &amp;ldquo;Quantengatter&amp;rdquo; und &amp;ldquo;Quantenschaltkreise&amp;rdquo;
&lt;/h2>&lt;p>So wie klassische Computer Logikgatter (AND, OR, NOT usw.) verwenden, um Berechnungen durchzuführen, wenden Quantencomputer Operationen an, die als &lt;strong>&amp;ldquo;Quantengatter (Quantum Gates)&amp;rdquo;&lt;/strong> bezeichnet werden, um Qubits zu manipulieren. Eine Kombination mehrerer Quantengatter wird als &lt;strong>Quantenschaltkreis (Quantum Circuit)&lt;/strong> bezeichnet.&lt;/p>
&lt;p>Der Zustand eines Qubits wird mathematisch als ein Punkt auf der Oberfläche einer dreidimensionalen Kugel ausgedrückt, die als &amp;ldquo;Bloch-Kugel (Bloch sphere)&amp;rdquo; bezeichnet wird. Der Nordpol ist &amp;ldquo;0&amp;rdquo;, der Südpol ist &amp;ldquo;1&amp;rdquo;, und der Äquator ist ein Zustand, in dem sich &amp;ldquo;0 und 1 zur Hälfte überlagern&amp;rdquo;. Ein Quantengatter ist nichts anderes als eine Operation, die den Zustand (Vektor) auf der Oberfläche dieser Kugel dreht.&lt;/p>
&lt;p>Lassen Sie uns einige typische Quantengatter vorstellen.&lt;/p>
&lt;h3 id="1-hadamard-gatter-h-gatter">1. Hadamard-Gatter (H-Gatter)
&lt;/h3>&lt;p>Dies ist das grundlegendste Gatter, das für Quantencomputer einzigartig ist und in klassischen Computern nicht existiert. Wenn ein Qubit, das sich vollständig im Zustand &amp;ldquo;0&amp;rdquo; befindet, durch ein H-Gatter geleitet wird, erzeugt es einen &amp;ldquo;vollständigen Überlagerungszustand&amp;rdquo; (einen Punkt auf dem Äquator der Bloch-Kugel), in dem 0 und 1 mit einer Wahrscheinlichkeit von genau der Hälfte beobachtet werden. Als Initialisierungsschritt der Quantenberechnung beginnen viele Algorithmen damit, dieses H-Gatter auf alle Qubits anzuwenden.&lt;/p>
&lt;h3 id="2-pauli-gatter-x--y--z-gatter">2. Pauli-Gatter (X-, Y-, Z-Gatter)
&lt;/h3>&lt;p>Diese Gatter beinhalten Operationen, die dem NOT-Gatter in einem klassischen Computer entsprechen (das 0 in 1 und 1 in 0 umkehrt). Auf der Bloch-Kugel entsprechen sie Operationen, die um 180 Grad um die X-, Y- und Z-Achse drehen. Insbesondere das X-Gatter fungiert genau wie ein klassisches NOT-Gatter, weil es den Nordpol (0) in den Südpol (1) umkehrt. Das Z-Gatter spielt die Rolle der Umkehrung der &amp;ldquo;Phase (wie das Timing einer Welle)&amp;rdquo; der Überlagerung und ist äußerst wichtig, um Quanteninterferenz zu verursachen.&lt;/p>
&lt;h3 id="3-cnot-gatter-controlled-not-gatter">3. CNOT-Gatter (Controlled-NOT-Gatter)
&lt;/h3>&lt;p>Dies ist ein äußerst wichtiges Gatter zur Erzeugung von Quantenverschränkung. Es verwendet zwei Qubits (ein Kontroll-Bit und ein Ziel-Bit).
Es arbeitet wie folgt: &amp;ldquo;Wenn das Kontroll-Bit 1 ist, kehre den Zustand des Ziel-Bits um (X-Gatter). Wenn das Kontroll-Bit 0 ist, tue nichts.&amp;rdquo; Es mag wie eine einfache IF-Bedingung erscheinen, aber was passiert, wenn sich das Kontroll-Bit in einem &amp;ldquo;überlagerten Zustand von 0 und 1&amp;rdquo; befindet? Das Ziel-Bit geht in einen &amp;ldquo;Zustand über, in dem sich die umgekehrten und nicht umgekehrten Zustände überlagern&amp;rdquo;, und das Schicksal der beiden Bits wird vollständig verknüpft. Die beiden Qubits werden wunderschön &amp;ldquo;verschränkt&amp;rdquo;.&lt;/p>
&lt;p>Indem diese Gatter nacheinander von links nach rechts angeordnet und angewendet werden, wie Musiknoten in einer Partitur, werden komplexe Algorithmen ausgeführt.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="kapitel-4-worin-sind-quantencomputer-gut-und-worin-sind-sie-schlecht">Kapitel 4: Worin sind Quantencomputer gut und worin sind sie schlecht?
&lt;/h2>&lt;p>Hier ist eine wichtige Tatsache: Quantencomputer sind keine allmächtigen Götter.
Für alltägliche Aufgaben wie das Surfen im Internet, das Rendern von Videos, die Makroverarbeitung in Excel oder den Betrieb allgemeiner Smartphone-Apps werden Quantencomputer klassische Computer wahrscheinlich niemals übertreffen. Für diese sequenziellen Prozesse sind klassische Computer, die bereits hochoptimiert sind und sich durch überwältigende Geschwindigkeit und geringe Kosten auszeichnen, weitaus besser geeignet.&lt;/p>
&lt;p>Der wahre Wert von Quantencomputern liegt ausschließlich in &lt;strong>&amp;ldquo;spezifischen Problemen, bei denen die Anzahl der Kombinationen bei klassischen Berechnungen exponentiell explodiert und die Lösung eine Zeit in der Größenordnung des Alters des Universums in Anspruch nehmen würde&amp;rdquo;&lt;/strong> . Dies wird als &amp;ldquo;Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy)&amp;rdquo; oder &amp;ldquo;Quantenvorteil (Quantum Advantage)&amp;rdquo; bezeichnet.&lt;/p>
&lt;h3 id="worin-quantencomputer-gut-sind-killer-applikationen">Worin Quantencomputer gut sind (Killer-Applikationen)
&lt;/h3>&lt;h4 id="1-primfaktorzerlegung-und-entschlüsselung-shor-algorithmus">1. Primfaktorzerlegung und Entschlüsselung (Shor-Algorithmus)
&lt;/h4>&lt;p>Gegenwärtig basiert &amp;ldquo;RSA-Kryptographie&amp;rdquo;, die sichere Kommunikation im Internet schützt (wie Kreditkartenzahlungen und die Übertragung persönlicher Daten), auf der Prämisse, dass &amp;ldquo;die Primfaktorzerlegung sehr großer Zahlen für klassische Computer praktisch unmöglich ist (da sie enorm viel Zeit in Anspruch nimmt)&amp;rdquo;.
Mit dem &amp;ldquo;Shor-Algorithmus&amp;rdquo;, der 1994 von dem Mathematiker Peter Shor entdeckt wurde, können Quantencomputer Interferenz jedoch geschickt nutzen, um dies mit dramatischer Geschwindigkeit (in polynomieller Zeit) zu lösen. Infolgedessen besteht das Risiko, dass aktuelle kryptografische Systeme in Zukunft zusammenbrechen, und Zentralbanken sowie Regierungsbehörden weltweit beeilen sich, auf &amp;ldquo;Post-Quanten-Kryptographie (Post-Quantum Cryptography)&amp;rdquo; umzusteigen.&lt;/p>
&lt;h4 id="2-quantenchemische-berechnungen-und-die-entwicklung-neuer-materialien-und-medikamente">2. Quantenchemische Berechnungen und die Entwicklung neuer Materialien und Medikamente
&lt;/h4>&lt;p>Das Verhalten von Molekülen und Atomen in der Natur folgt von Natur aus den Gesetzen der Quantenmechanik. Wenn Sie versuchen, das Verhalten komplexer Moleküle mit einem klassischen Computer zu simulieren, explodiert die Anzahl der Kombinationen von Elektroneninteraktionen, und Sie stoßen selbst bei relativ kleinen Molekülen an die Grenzen der Rechenkapazität.
Wie der Nobelpreisträger für Physik Richard Feynman sagte: &amp;ldquo;Wenn Sie die Natur simulieren wollen, verdammt noch mal, dann machen Sie es quantenmechanisch&amp;rdquo;, und Quantencomputer weisen bei der Simulation von Materie eine überwältigende native Leistung auf. Es werden Durchbrüche zur Lösung von Problemen der Menschheit erwartet, wie das Design revolutionärer neuer Medikamente, die Entdeckung von bei Raumtemperatur supraleitenden Materialien, die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen und Batteriematerialien sowie die Synthese energieeffizienter Düngemittel.&lt;/p>
&lt;h4 id="3-kombinatorische-optimierungsprobleme-und-suche-grover-algorithmus">3. Kombinatorische Optimierungsprobleme und Suche (Grover-Algorithmus)
&lt;/h4>&lt;p>Quantenalgorithmen zeigen ihre Stärke auch bei Problemen, bei denen es darum geht, die optimale aus einer großen Anzahl von Optionen zu finden (wie die Optimierung von Logistikrouten oder die Optimierung von Finanzportfolios). Mit dem &amp;ldquo;Grover-Algorithmus&amp;rdquo; können Sie die gesuchten Daten aus einer unstrukturierten Datenbank mit der Quadratwurzel der Anzahl an Versuchen eines klassischen Computers finden. Wenn beispielsweise 100 Millionen Datensätze vorhanden sind, kann eine Suche, die klassisch bis zu 100 Millionen Versuche dauern würde, in nur etwa 10.000 Versuchen abgeschlossen werden.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="kapitel-5-die-hardware-wand-dekohärenz-und-quantenfehlerkorrektur">Kapitel 5: Die Hardware-Wand &amp;ldquo;Dekohärenz&amp;rdquo; und &amp;ldquo;Quantenfehlerkorrektur&amp;rdquo;
&lt;/h2>&lt;p>Obwohl theoretisch so mächtig wie Magie, gibt es auf dem Weg zur praktischen Umsetzung extrem hohe und steile physikalische Barrieren. Der größte Feind ist &lt;strong>&amp;ldquo;Rauschen&amp;rdquo;&lt;/strong> .&lt;/p>
&lt;p>Die &amp;ldquo;Überlagerung&amp;rdquo; und &amp;ldquo;Quantenverschränkung&amp;rdquo; von Qubits sind extrem empfindliche und zerbrechliche Zustände. Selbst der geringste Kontakt mit umgebender Wärme, elektromagnetischen Schwankungen oder kosmischen Strahlen kann dazu führen, dass dieser magische Zustand in einem Augenblick zusammenbricht und sie zu bloßen klassischen Bits werden. Dieses Phänomen wird als &lt;strong>&amp;ldquo;Dekohärenz (Quantenzerfall)&amp;rdquo;&lt;/strong> bezeichnet.&lt;/p>
&lt;h3 id="der-harte-wettbewerb-um-physikalische-realisierungsmethoden">Der harte Wettbewerb um physikalische Realisierungsmethoden
&lt;/h3>&lt;p>Derzeit wird weltweit ein harter Wettbewerb darüber ausgetragen, wie diese empfindlichen Qubits physikalisch realisiert werden können, wobei verschiedene Methoden erforscht werden.&lt;/p>
&lt;ul>
&lt;li>&lt;strong>Supraleitende Methode (Superconducting)&lt;/strong> : Von Google, IBM, Amazon usw. übernommen. Sie verwendet schleifenförmige supraleitende Schaltkreise und steuert Quantenzustände, indem sie sie mit riesigen Kühlschränken auf extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (ca. -273 °C) abkühlt. Es ist derzeit die führende Methode und es ist am einfachsten, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, aber die Kühlgeräte sind riesig und teuer.&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>Ionenfallen-Methode (Trapped Ion)&lt;/strong> : Von IonQ, Quantinuum usw. übernommen. Sie fängt Ionen (Atome) in einem Vakuum mit elektromagnetischen Feldern ein und steuert sie mit präzisen Lasern. Die Stärke besteht darin, dass alle Qubits einheitlich sind und den Zustand über einen langen Zeitraum aufrechterhalten können (lange Kohärenzzeit), das Problem ist jedoch, dass die Betriebsgeschwindigkeit im Vergleich zur supraleitenden Methode langsam ist.&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>Photonen-Methode (Photonic)&lt;/strong> : PsiQuantum und andere konzentrieren sich darauf. Sie nutzt Lichtteilchen (Photonen). Viele Teile arbeiten bei Raumtemperatur und erfordern keine kryogene Umgebung, was den großen Vorteil hat, dass sie gut mit der bestehenden Siliziumchip-Herstellungstechnologie und Glasfaser-Kommunikationstechnologie kompatibel ist.&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>Topologische Methode (Topological)&lt;/strong> : Von Microsoft seit vielen Jahren erforscht. Dies ist ein ehrgeiziger Ansatz zur Schaffung von Qubits, die von Grund auf stark gegen Umgebungsrauschen (weniger anfällig für Fehler) sind, indem die topologischen Eigenschaften spezieller Teilchen namens Anyonen genutzt werden. Theoretisch ist es das stärkste System, aber die Hürde für die physikalische Umsetzung gilt als die höchste.&lt;/li>
&lt;/ul>
&lt;h3 id="der-weg-zum-ultimativen-ziel-fehlertoleranter-quantencomputer-ftqc">Der Weg zum ultimativen Ziel: &amp;ldquo;Fehlertoleranter Quantencomputer (FTQC)&amp;rdquo;
&lt;/h3>&lt;p>Berechnungsfehler (wie Bitflips aufgrund von kosmischer Strahlung) existieren auch in der heutigen Welt der klassischen Computer, aber sie werden durch &amp;ldquo;Fehlerkorrekturcodes&amp;rdquo; perfekt korrigiert, sodass wir unsere Smartphones nutzen können, ohne jemals einen Fehler zu bemerken. Um groß angelegte, praktische Berechnungen auf einem Quantencomputer durchführen zu können, ist eine ähnliche &lt;strong>&amp;ldquo;Quantenfehlerkorrektur (Quantum Error Correction: QEC)&amp;rdquo;&lt;/strong> unerlässlich.&lt;/p>
&lt;p>Da Quantenzustände jedoch die Eigenschaft haben, &amp;ldquo;bei der Messung zusammenzubrechen&amp;rdquo;, gibt es ein fatales Dilemma, dass wir nicht direkt in sie hineinsehen (sie messen) können, um auf Fehler zu prüfen.
Um dies zu vermeiden, wurden Theorien (wie Oberflächencodes) etabliert, um geschickt eine große Anzahl von instabilen &amp;ldquo;physikalischen Qubits&amp;rdquo; zu kombinieren, um ein einziges stabiles &amp;ldquo;logisches Qubit&amp;rdquo; aufzubauen, das Fehler erkennen und korrigieren kann.
Es wird jedoch gesagt, dass 1.000 bis 10.000 physikalische Qubits erforderlich sind, um 1 logisches Qubit zu erzeugen. Um den Shor-Algorithmus unter Verwendung von Tausenden von logischen Qubits auszuführen, wäre ein riesiges System mit insgesamt Millionen bis zehn Millionen physikalischen Qubits erforderlich.&lt;/p>
&lt;p>Wir befinden uns derzeit im sogenannten Zeitalter der &lt;strong>NISQ-Geräte (Noisy Intermediate-Scale Quantum)&lt;/strong> . Dies ist eine Übergangsphase von Maschinen, die mit Dutzenden bis Hunderten von Qubits ohne Fehlerkorrektur arbeiten.
Experten prognostizieren, dass langfristige Forschung und Entwicklung über 10 bis mehrere Jahrzehnte erforderlich sein werden, um das ultimative Ziel zu erreichen: einen vollständig fehlerkorrigierbaren &lt;strong>&amp;ldquo;fehlertoleranten Quantencomputer (Fault-Tolerant Quantum Computer: FTQC)&amp;rdquo;&lt;/strong> .&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="kapitel-6-die-geschichte-und-zukunftsaussichten-von-quantencomputern">Kapitel 6: Die Geschichte und Zukunftsaussichten von Quantencomputern
&lt;/h2>&lt;p>Lassen Sie uns abschließend einen Blick darauf werfen, wie Quantencomputer entstanden sind und wohin sie in Zukunft gehen werden.&lt;/p>
&lt;h3 id="von-der-entstehung-der-theorie-bis-zum-nachweis-der-quantenüberlegenheit">Von der Entstehung der Theorie bis zum Nachweis der &amp;ldquo;Quantenüberlegenheit&amp;rdquo;
&lt;/h3>&lt;ul>
&lt;li>&lt;strong>1980er Jahre&lt;/strong> : Physiker wie Paul Benioff und Richard Feynman schlugen das Konzept eines Computers vor, der die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt. Die Bemerkung &amp;ldquo;Wenn Sie die Natur simulieren wollen, nutzen Sie die Quantenmechanik&amp;rdquo; war der Ausgangspunkt.&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>1994&lt;/strong> : Peter Shor veröffentlichte einen Quantenalgorithmus für die Primfaktorzerlegung (Shor-Algorithmus). Dies schockierte die Welt und führte dazu, dass enorme Summen an Forschungsgeldern flossen.&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>1996&lt;/strong> : Lov Grover veröffentlichte den Grover-Algorithmus, der die Datensuche beschleunigt.&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>2019&lt;/strong> : Ein historischer Meilenstein. Google gab bekannt, dass es seinen 53-Qubit-Supraleiterprozessor &amp;ldquo;Sycamore&amp;rdquo; verwendete, um eine Zufallszahlengenerierungs-Verifizierungsberechnung in etwa 200 Sekunden abzuschließen, die auf einem klassischen Supercomputer 10.000 Jahre dauern würde (so wurde behauptet). Dies sorgte als erste Demonstration der &lt;strong>&amp;ldquo;Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy)&amp;rdquo;&lt;/strong> der Welt für großes Aufsehen (später verbesserten IBM und andere den klassischen Supercomputeralgorithmus und es kam zu heißen Debatten mit dem Gegenargument, dass die Berechnung in wenigen Tagen möglich sei).&lt;/li>
&lt;li>&lt;strong>Ab 2023&lt;/strong> : IBM kündigte den &amp;ldquo;Condor&amp;rdquo;-Prozessor mit über 1.000 Qubits an. Darüber hinaus meldeten die Harvard University und andere erfolgreiche Erzeugung und Manipulation von &amp;ldquo;logischen Qubits&amp;rdquo;, und erste Demonstrationen von Fehlerkorrekturtechnologien werden nach und nach berichtet.&lt;/li>
&lt;/ul>
&lt;h3 id="auf-dem-weg-zur-technologie-der-nächsten-generation">Auf dem Weg zur Technologie der nächsten Generation
&lt;/h3>&lt;p>Ein Quantencomputer ist nicht einfach eine &amp;ldquo;CPU der nächsten Generation mit einer höheren Taktfrequenz&amp;rdquo;. Es ist wirklich ein Paradigmenwechsel in der Informatik, der das Konzept der Berechnung selbst unter Verwendung der Regeln der Quantenmechanik, die die mikroskopische Welt beherrschen, von Grund auf umschreibt.&lt;/p>
&lt;p>Wir werden wahrscheinlich zu unseren Lebzeiten keine &amp;ldquo;persönlichen Quantensmartphones&amp;rdquo; besitzen, die in unsere Taschen passen (und es besteht auch keine Notwendigkeit dafür). Die Zukunft, in der mächtige Quanten-Rechenzentren auf der anderen Seite von Cloud-Netzwerken wie AWS oder Azure plötzlich Wunderheilmittel für unheilbare Krankheiten entdecken oder saubere Energie-Traummaterialien (wie Katalysatoren, die Ammoniak bei Raumtemperatur aus Stickstoff in der Atmosphäre synthetisieren) zur Lösung der globalen Erwärmung finden, rückt jedoch unweigerlich näher.&lt;/p>
&lt;p>Gegenwärtig befinden wir uns noch in den Kinderschuhen, vergleichbar mit dem ENIAC in den 1940er Jahren, der mit Lochkarten betrieben wurde, während die Hitze seiner riesigen Vakuumröhren den Raum aufheizte. Dennoch bündeln weltweit hochkarätige Forscher und Ingenieure ihr Wissen, und täglich werden technische Durchbrüche gemeldet.
Wir, die wir diesen Prozess der Evolution der &amp;ldquo;Morgendämmerung der Berechnung&amp;rdquo; in Echtzeit miterleben können, leben in einer historisch sehr aufregenden Zeit.&lt;/p>
&lt;p>Die Tür zur Quantenwelt hat sich gerade erst geöffnet. Wir müssen die zukünftigen Entwicklungen im Auge behalten.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;p>&lt;em>Dieser Artikel soll die grundlegenden Konzepte des Quantencomputings für Geschäftsleute und die allgemeine, an Technologie interessierte Öffentlichkeit auf verständliche Weise erklären. Bitte beachten Sie, dass einige strenge mathematische und physikalische Definitionen (wie die Details der Bra-Ket-Notation und komplexer Wahrscheinlichkeitsamplituden) vereinfacht wurden.&lt;/em>&lt;/p></description></item><item><title>Warum es fast unmöglich war, die blaue LED herzustellen</title><link>http://kenji.blog/de/p/%E3%81%AA%E3%81%9C%E9%9D%92%E8%89%B2led%E3%82%92%E4%BD%9C%E3%82%8B%E3%81%93%E3%81%A8%E3%81%8C%E3%81%BB%E3%81%BC%E4%B8%8D%E5%8F%AF%E8%83%BD%E3%81%A0%E3%81%A3%E3%81%9F%E3%81%AE%E3%81%8B/</link><pubDate>Sun, 15 Sep 2024 00:43:52 +0900</pubDate><guid>http://kenji.blog/de/p/%E3%81%AA%E3%81%9C%E9%9D%92%E8%89%B2led%E3%82%92%E4%BD%9C%E3%82%8B%E3%81%93%E3%81%A8%E3%81%8C%E3%81%BB%E3%81%BC%E4%B8%8D%E5%8F%AF%E8%83%BD%E3%81%A0%E3%81%A3%E3%81%9F%E3%81%AE%E3%81%8B/</guid><description>&lt;img src="http://kenji.blog/p/%E3%81%AA%E3%81%9C%E9%9D%92%E8%89%B2led%E3%82%92%E4%BD%9C%E3%82%8B%E3%81%93%E3%81%A8%E3%81%8C%E3%81%BB%E3%81%BC%E4%B8%8D%E5%8F%AF%E8%83%BD%E3%81%A0%E3%81%A3%E3%81%9F%E3%81%AE%E3%81%8B/img.png" alt="Featured image of post Warum es fast unmöglich war, die blaue LED herzustellen" />&lt;h2 id="warum-es-fast-unmöglich-war-die-blaue-led-herzustellen">Warum es fast unmöglich war, die blaue LED herzustellen
&lt;/h2>&lt;p>Einführung in eine englische Dokumentation. Sehr interessant. Es entsteht der starke Eindruck, dass der Japaner, der dieses extrem schwierige Problem gelöst hat, anfangs in Japan nicht sehr geschätzt wurde.&lt;/p>
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&lt;/div></description></item><item><title>Zitate von Einstein</title><link>http://kenji.blog/de/p/zitate-von-einstein/</link><pubDate>Sat, 24 Aug 2024 18:38:47 +0900</pubDate><guid>http://kenji.blog/de/p/zitate-von-einstein/</guid><description>&lt;img src="http://kenji.blog/p/%E3%82%A2%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%82%BF%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%81%AE%E5%90%8D%E8%A8%80/Solvay_conference_1927.jpg" alt="Featured image of post Zitate von Einstein" />&lt;p>Hallo!&lt;/p>
&lt;p>Heute möchte ich über Zitate von Einstein sprechen.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="schätzt-die-welt-deine-guten-taten-nicht">Schätzt die Welt deine guten Taten nicht?
&lt;/h2>&lt;div class="highlight">&lt;div class="chroma">
&lt;table class="lntable">&lt;tr>&lt;td class="lntd">
&lt;pre tabindex="0" class="chroma">&lt;code>&lt;span class="lnt">1
&lt;/span>&lt;span class="lnt">2
&lt;/span>&lt;span class="lnt">3
&lt;/span>&lt;span class="lnt">4
&lt;/span>&lt;span class="lnt">5
&lt;/span>&lt;span class="lnt">6
&lt;/span>&lt;/code>&lt;/pre>&lt;/td>
&lt;td class="lntd">
&lt;pre tabindex="0" class="chroma">&lt;code class="language-fallback" data-lang="fallback">&lt;span class="line">&lt;span class="cl">Die Welt wird niemals die Millionen von guten Dingen bewerten, die du tust.
&lt;/span>&lt;/span>&lt;span class="line">&lt;span class="cl">Aber sie werden die eine falsche Sache kritisieren, die du tust...
&lt;/span>&lt;/span>&lt;span class="line">&lt;span class="cl">Aber lass dich nicht entmutigen.
&lt;/span>&lt;/span>&lt;span class="line">&lt;span class="cl">&amp;#34;Erhebe dich immer über all das Lachen und die Kritik. Bleib stark.&amp;#34;
&lt;/span>&lt;/span>&lt;span class="line">&lt;span class="cl">
&lt;/span>&lt;/span>&lt;span class="line">&lt;span class="cl">- Albert Einstein
&lt;/span>&lt;/span>&lt;/code>&lt;/pre>&lt;/td>&lt;/tr>&lt;/table>
&lt;/div>
&lt;/div>&lt;p>Dies sind Worte, die angeblich von Einstein gesprochen wurden. Sie weisen scharfsinnig auf die Härte der Gesellschaft hin, die wir jeden Tag spüren, und auf die Voreingenommenheit in den Bewertungen der Menschen.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="dennoch-steh-weiter-auf">Dennoch, steh weiter auf
&lt;/h2>&lt;p>&amp;ldquo;Erhebe dich immer über all das Lachen und die Kritik. Bleib stark.&amp;rdquo;&lt;/p>
&lt;p>Diese folgenden Worte können als Einsteins Antwort auf die oben erwähnte harte Realität angesehen werden. Sie lehren uns, wie wichtig es ist, Kritik oder Spott nicht nachzugeben und mit dem Glauben an uns selbst weiter voranzuschreiten.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="einsteins-lehren-im-alltag-anwenden">Einsteins Lehren im Alltag anwenden
&lt;/h2>&lt;p>Dieses Zitat ist eng mit unserem täglichen Leben verbunden. Zum Beispiel kann es Zeiten geben, in denen deine Bemühungen bei der Arbeit nicht anerkannt werden und nur triviale Fehler auffallen. Darüber hinaus können deine Aussagen in den sozialen Medien aus dem Zusammenhang gerissen und kritisiert werden.&lt;/p>
&lt;p>In solchen Momenten versuche dich an Einsteins Worte zu erinnern. Es ist wichtig, an seinen eigenen Überzeugungen festzuhalten, anstatt sich über die Bewertungen anderer zu freuen oder traurig zu sein.&lt;/p>
&lt;hr>
&lt;h2 id="fazit">Fazit
&lt;/h2>&lt;p>Dieses Zitat von Einstein lehrt uns, wie wichtig es ist, &amp;ldquo;zu leben, indem wir an uns selbst glauben, ohne von den Bewertungen anderer beeinflusst zu werden&amp;rdquo;. Lasst uns den Mut haben, dem Weg zu folgen, an den wir glauben, ohne Kritik oder Spott zu erliegen.&lt;/p>
&lt;p>Zum Schluss noch einmal Einsteins Worte.&lt;/p>
&lt;blockquote>
&lt;p>&lt;strong>&amp;ldquo;Erhebe dich immer über all das Lachen und die Kritik. Bleib stark.&amp;rdquo;&lt;/strong>&lt;/p>
&lt;/blockquote>
&lt;p>Ich hoffe, diese Worte finden Resonanz in deinem Herzen und inspirieren dich, einen positiven Schritt nach vorne zu machen.&lt;/p></description></item></channel></rss>