Quantum Computing ist die größte Revolution im Computing seit ... Computing. Unsere Welt besteht aus Quanteninformation, aber wir nehmen die Welt als klassische Information wahr. Das heißt, im kleinen Maßstab passiert viel, was über unsere normalen Sinne hinausgeht. Als Menschen haben wir uns weiterentwickelt, um klassische Informationen zu verarbeiten, nicht Quanteninformationen: Unser Gehirn ist so programmiert, dass es an Säbelzahnkatzen denkt, nicht an Schrödingers Katzen. Wir können unsere klassischen Informationen leicht mit Nullen und Einsen codieren, aber was ist mit dem Zugriff auf die zusätzlichen verfügbaren Informationen, aus denen unser Universum besteht? Können wir die Quantennatur der Realität nutzen, um Informationen zu verarbeiten? Natürlich müssten wir diesen Beitrag sonst hier beenden, und das würde uns nicht alle zufriedenstellen.Lassen Sie uns die Möglichkeiten des Quantencomputers untersuchen und dann unseren eigenen Quantencode schreiben.
Der Ausgangspunkt für das Studium des Quantencomputers ist das Verständnis, dass das klassische Universum, das wir kennen und lieben, nur ein Schatten des Quantengefüges der Realität ist, obwohl viele Prinzipien dem gesunden Menschenverstand widersprechen. Ein Teil der Gewöhnung an ein Quantum besteht darin, sich an die Grenzen unserer eigenen Wahrnehmung zu gewöhnen. Diese Einschränkung ähnelt dem Zeichnen eines 3D-Objekts auf einem 2D-Blatt Papier. Schauen Sie sich das Drahtmodell unten an. Es kann entweder eine Schachtel sein (wir können dies mit einem Glas oben veranschaulichen), ein Winkel (wir können die Flasche hineinstellen, damit wir den Winkel sehen können).
Wir sind gezwungen, entweder das eine oder das andere zu sehen und nicht beide gleichzeitig. Wir können sie hin und her tauschen, aber da wir in einer 2D-Ansicht stecken, können wir nur das eine oder andere sehen. Zwei Dimensionen reichen nicht aus, um ein dreidimensionales Objekt perfekt darzustellen. Ebenso wird die Welt der klassischen Information in ihrer einfachsten Codierung in Bits, Nullen und Einsen dargestellt. Dies reicht jedoch nicht aus, um die Quantenwelt zu beschreiben. In der Quantenwelt benötigen wir Quantenbits oder Qubits, um unsere Informationen zu beschreiben. Genau wie wenn wir ein Getränk auf eine Schachtel oder in eine Ecke stellen, können wir eine Messung durchführen, bei der unser Qubit den klassischen Beat anzeigt, aber es gibt weitere Informationen, die wir verwenden können.
Quantencomputer verwenden den Rest der Informationen, um mehr Rechenleistung zu erzielen. Es wird alles in Anwendungen in den Bereichen Pharma, neue umweltfreundliche Materialien, Logistik, Finanzen, Big Data und mehr verändern. Zum Beispiel wird Quantencomputing die Energie von Molekülen besser berechnen, da es sich grundsätzlich um ein Quantenproblem handelt. Wenn Sie sich also die Industrie der Moleküle vorstellen können, können Sie sich die Anwendung des Quantencomputers vorstellen. Oft möchten die Leute wissen, ob Quantencomputer schneller sind, und obwohl sie Berechnungen schneller durchführen können, liegt dies nicht daran, dass sie mit vielen Zyklen dasselbe tun. Stattdessen verwenden Quantencomputer eine grundlegend andere Art der Informationsverarbeitung. Um ein Gefühl für diesen grundlegenden Unterschied zu bekommen, betrachten wir ein Beispiel:Dies hilft, die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers zu veranschaulichen.
Treffen Sie den Quantentrinker
Lassen Sie uns ein Gedankenexperiment machen. Bei einem klassischen betrunkenen Spaziergang (manchmal auch als Gelegenheitsspaziergang bezeichnet) haben wir einen Betrunkenen, der aus dem Schrank kommt und versucht, seinen Freund an der Bar zu finden.
In der Bar sieht jeder gleich aus, unser Säufer hat zu viel getrunken, also geht er auf eine zufällige Person zu, die an der Bar sitzt. Als er entdeckt, dass die erste Person, die er gestört hat, nicht sein Freund ist, bewegt er sich zufällig zum nächsten Stuhl, entweder nach links oder nach rechts. Wir können unseren betrunkenen Wanderer simulieren, indem wir eine Münze werfen und sagen, wenn die Köpfe hochkommen, geht er nach rechts, wenn die Schwänze nach links gehen.
Die nächste Person wird auch nicht der gewünschte Freund sein, aber die Erinnerung an unseren Betrunkenen ist kurz, so dass er sich mit gleicher Wahrscheinlichkeit nach links oder rechts bewegt. Dies wird so lange fortgesetzt, bis der Sicherheitsdienst gerufen wird, um ihn zu vertreiben.
Der Sicherheitsdienst liebt die Physik, deshalb haben sie sich jedes Mal entschlossen, herauszufinden, wo sie endlich eine betrunkene Person einholen können. Folgendes sieht der Sicherheitsdienst:
Die Form ist glockenförmig, und ein interessantes Merkmal der glockenförmigen Kurve ist, dass die Ausbreitung in der Mitte (der wahrscheinlichste Ort, an dem ein Betrunkener zu finden ist) die Quadratwurzel der Anzahl der Schritte ist, die ein betrunkener Wanderer unternimmt. Wenn der Säufer neun Barhocker passiert, beträgt die Ausbreitung der Kurve drei; Die Sicherheit wird ihn wahrscheinlich in drei Barhockern finden, in denen der Säufer ursprünglich saß. Wenn der Betrunkene 100 Versuche unternimmt, wird die Sicherheit den Betrunkenen höchstwahrscheinlich innerhalb von 10 Stühlen von dem Ort finden, an dem der Betrunkene begonnen hat. Mithilfe dieser Statistiken wissen die Sicherheitskräfte, wo sie den betrunkenen Wanderer am wahrscheinlichsten finden, der sich in der Nähe des Startpunkts befindet.
Sicherheit hat jetzt ein Modell, mit dem sie mit klassischen Betrunkenen Schritt halten können, aber leider gibt es in dieser Leiste auch Quanten-Betrunkene. Während der klassische Säufer ein einfacher Münzwurf für jede Richtung ist, ist die Münze für den Quantentrinker ein Quantenmünze und kann sich gleichzeitig in einer Überlagerung von Kopf und Zahl befinden. Der Quantentrinker folgt einer Flugbahn, die eine Überlagerung der linken und rechten Stufe jedes Barhockers darstellt.
Die Überlagerung ist eines der grundlegenden Konzepte der Quantenmechanik und eines der Werkzeuge zur Unterscheidung zwischen Quanteninformation und klassischer Information. Um mehr Spaß mit Überlagerungen zu haben, lesen Sie diesen Strangeworks-Beitrag über einige Qubit-Grundlagen....
Der Quantentrinker wird gleichzeitig in einer Überlagerung von links und rechts ohne einen bestimmten Ort gehen, bis die Sicherheit ihn findet.
Wenn die Sicherheit die Verteilung der Positionen betrachtet, an denen sich der Quantentrinker befindet, finden sie ein völlig anderes Ergebnis als der klassische Säufer.
Im Gegensatz zur glatten Glockenkurvenverteilung finden sie die unten gezeigte Eckzahnverteilung:
Was ist los? Wo ist der Quantentrinker? Warum sollten die Verteilungsspitzen draußen sein? Warum gibt es Bereiche im Inneren mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit und andere mit einer höheren Wahrscheinlichkeit? Der Quantentrinker hat neue Eigenschaften.
Der Betrunkene ist tendenziell weiter vom Zentrum entfernt und weniger wahrscheinlich näher am Zentrum. Einige Pfade sind aufgrund von Interferenzen weniger wahrscheinlich, andere eher. Die Gesamtverteilung ist ebenfalls sehr unterschiedlich. Anstatt sich auf die Quadratwurzel des Spread zu beziehen, bezieht sich der Spread linear auf die Anzahl oder die Schritte. Ein Quantentrinker, der zehn Schritte macht, befindet sich wahrscheinlich auf der Außenseite von zehn Barhockern, so weit entfernt wie ein klassischer Trinker, der 100 Schritte macht.
Wie können wir dies zu unserem Vorteil nutzen? Gibt es ein Problem, das wir mit Quanten-Betrunkenen besser lösen können als mit klassischen Betrunkenen? Nun, ich bin froh, dass du gefragt hast, denn ja, das gibt es! Um dies zu überprüfen, werden wir die Betrunkenen auf den Durchgang des Labyrinths setzen. Wir wählen ein bestimmtes Labyrinth, das die Kraft von Quanten-Betrunkenen demonstriert. In dieser Aufgabe haben wir eine Baumstruktur, die gespiegelt und dann zusammengeklebt wird.
Links ist der Eingang zum Labyrinth und rechts der Ausgang. Wir wollen sehen, wie gut unsere betrunkenen Wanderer ihren Ausweg finden. Denken Sie daran, dass der klassische Säufer an jedem Knoten eine Münze wirft, während der Quantentrinker an jedem Knoten eine Überlagerung jedes Pfades erzeugt. Betrunkene neigen dazu, an zufälligen Stellen in der Mitte hängen zu bleiben und brauchen länger, um ihren Ausweg zu finden.
Da Quanten-Betrunkene häufiger vorkommen, ist es für sie einfacher, nicht hängen zu bleiben. Deshalb finden Quanten-Betrunkene schneller ihren Weg als klassische Betrunkene.
Da wir immer mehr Betrunkene aussenden, werden Quanten-Betrunkene dieses Problem exponentiell besser bewältigen als klassische!
Dies ist die Stärke des Quantencomputers. Obwohl dies ein einfaches Beispiel ist, funktionieren alle Quantenalgorithmen auf die gleiche Weise: indem sie die Quantenausbreitung auf clevere Weise verwenden, die zur Struktur des Problems passt. Es gibt viele Anwendungen für Quantenalgorithmen, daher ist es jetzt an der Zeit, mit dem Erlernen der Quantenprogrammierung zu beginnen.
In naher Zukunft werden die besten Anwendungen die Entwicklung von Pharmazeutika und die Entwicklung neuer Materialien sein. Viele dieser Anwendungen in der Chemie sind grundsätzlich quantenmechanisch. Dies liegt daran, dass die Berechnung der Elektronenenergie für verschiedene Moleküle mit einem Quantencomputer effizienter ist. Optimierungsprobleme sind ein weiterer Bereich, in dem sich Quantencomputer in nicht allzu ferner Zukunft auswirken werden. Diese Klasse von Logistikproblemen umfasst die Optimierung der Lagerung (Hallo FedEx, rufen Sie uns an) oder die Verteilung von Waren wie Impfstoffen. Das finanzielle Risikomanagement kann mit ähnlichen Algorithmen durchgeführt werden. Darüber hinaus gibt es Technologien zur Schaffung eines Quanteninternets, das einige unserer kryptografischen Systeme ersetzt, um Datenschutz und Sicherheit zu gewährleisten.
Starten Sie die Programmierung von Quantencomputern
Sie können sofort mit dem Quantencomputing beginnen (ohne sich mit Quantentrunkenheit zu betrinken oder einen klassischen Alkoholiker zu einem Labyrinthrennen herauszufordern)! Bei Strangeworks senken wir die Hindernisse für die Programmierung von Quantencomputern, damit Sie Teil dieser aufregenden Open-Source-Community werden können. Sie können unsere ständig wachsende Inhaltsbibliothek erkunden oder Ihre eigene als Mitglied der Strangeworks-Community erstellen. Sie können den Code hier ohne Installation ausführen und das Ergebnis anzeigen. Entdecken Sie viele verschiedene Quantenprogrammiersprachen und -plattformen.
Hier sind einige gute Ausgangspunkte:
Spielen Sie mit dem Code für einen vereinfachten Quanten-Zufallslauf
In diesem Beitrag wird beschrieben, wie ein Quanten-Zufallsfußgänger mit vier Knoten codiert wird. Wenn Sie mit einer vereinfachten Aufgabe beginnen, können Sie sofort mit dem Schreiben von Quantencode beginnen, ohne den großen Aufwand für die Komplexität des Problems. Die Erkenntnisse, die Sie aus diesem Beitrag erhalten, reichen aus, um einen Sinn für das Geschehen zu finden, während der tatsächliche Code und die Beschreibung der Quantenschaltung Sie mit den kleinsten Details der Erstellung von Programmen für Quantencomputer vertraut machen.
Erste Schritte mit der Strangeworks-Plattform
Wenn Sie nur in die Welt des Quantencomputers eintauchen möchten, gibt es nichts Schöneres, als einen Rundgang durch die Strangeworks-Plattform Quantumcomputing.com zu unternehmen. Dieser Leitfaden ist der ideale Ausgangspunkt für dieses neue Computerparadigma.
Unsere Server können zum Rechnen verwendet werden.
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