Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology

Für die meiste Zeit der Geschichte bestand
die Technologie der Menschen

aus unserem Gehirn, Feuer und
scharfen Speeren.

Während Feuer und Speere zu Kraftwerken
und nuklearen Waffen wurden,

fand das größte Upgrade in unserer
geistlichen Entwicklung statt.

Seit den 60ern ist die Leistung
unserer Computer exponentiell gestiegen.

Dadurch sind Computern kleiner und
zugleich leistungsstärker geworden.

Dieser Prozess wird aber bald seine
physikalischen Grenzen erreichen.

Computer Teile sind auf dem Weg,
die Größe eines Atoms zu erreichen.

Um zu verstehen, warum dies ein Problem
ist, müssen wir zuerst ein paar Grundlagen klären.

Ein Computer besteht aus einfachen
Komponenten mit einfachen Aufgaben,

wie Daten darstellen, diese verarbeiten
und Mechanismen kontrollieren.

Computer Chips beinhalten Module,

welche Logikgatter beinhalten,
welche Transistoren beinhalten.

Ein Transistor ist die einfachste Art
eines Datenprozessors in Computern.

Im Grunde ein Schalter, welcher den
Datenstrom

blocken oder durchlassen kann.

Diese Informationen bestehen aus Bits,
die auf Null oder Eins eingestellt werden können.

Die Kombinationen aus mehreren Bits
stellen komplexere Informationen dar.

Transistoren sind kombinierte Logikgatter,
welche einfache Dinge machen.

Ein UND Gatter gibt EINS aus, wenn alle
Eingaben auf EINS stehen und

ansonsten eine NULL.

Mehrere Logikgatter formen ein bedeutendes
Modul,

zum Beispiel, um zwei Zahlen zu addieren.

Wenn man addieren kann, kann man auch
multiplizieren,

und wenn man multiplizieren kann,
kann man grundsätzlich alles machen.

Da alle Verfahren einfacher sind
als Mathe in der ersten Klasse,

kann man sich einen Computer als
eine Gruppe 7-Jähriger vorstellen, welche

einfache mathematischen Fragen beantworten.

Eine große Gruppe von ihene kann alles von
Astrophysik bis Zelda berechnen.

Das Kleinerwerden von Computerteilen

wird durch die Quantenpyhsik schwieriger.

Kurzgesagt ist ein Transistor einfach nur
ein elektronischer Schalter.

Strom bedeutet, dass Elektronen von einem Ort zu einem anderen gehen.

Somit ist ein Schalter eine Passage,
welcher Elektronen daran hindern kann, sich in eine Richtung zu bewegen.

Heute beträgt die durchschnittliche Größe
für einen Transistoren 14nm,

was ca. 8 mal kleiner ist als
der Durchmesser des HIV Virus

und 500 mal kleiner als eine
rote Blutzelle.

Während Transistoren zu der Größe von
wenigen Atomen schrumpfen,

können sich sich Elektronen selbst zur
anderen Seite einer blockierten Passage transferieren

durch den sogenannten Tunneleffekt.

Im Bereich der Quantenphysik funktioniert
Physik etwas anders,

als die Art und Weise, wie wir es gewohnt sind.

und traditionelle Computer ergeben
keinen Sinn mehr.

Wir erreichen eine physikalische Grenze
für unseren technischen Fortschritt.

Um dieses Problem zu lösen, versuchen
Wissenschaftler

diese ungewöhnlichen Quanteneigenschaften
zu unserem Vorteil zu nutzen,

indem sie Quantencomputer bauen.

In normalen Computern sind Bits die
kleinste Einheit der Information.

Quantencomputer benutzen "Qubits", die auch auf einen von zwei Werten eingestellt werden können.

Ein Qubit kann irgendein
2-Level Quanten-System sein,

wie zum Beispiel die Richtung eines
Magnetfelds oder ein einzelnes Photon.

Null und Eins sind die möglichen Stadien,

wie die horizontale oder vertikale
Polarität eines Photons.

In der Quantenwelt muss das Qubit nicht
unbedingt einer dieser Stadien haben;

Es kann in beliebigen Anteilen beide
Stadien zugleich haben.

Dies nennt man "Superposition".

Aber sobald man seinen Wert testen möchte, angenommen
indem man das Photon durch einen Filter sendet,

muss es sich entscheiden, ob es vertikal
oder horizontan polarisiert ist.

Solange es unbeobachtet ist, ist der
Quibit in einer Superposition der

Möglichkeiten Null und Eins, und man kann
nicht vorhersagen, was es sein wird.

Denn in dem Moment, in dem man es misst,
kollabiert es in eines der beiden Stadien.

Die "Superposition" ist ein
Spielveränderer.

Vier Bits können in 2 hoch 4

verschiedenen Konfigurationen zur gleichen Zeit sein.

Das sind 16 mögliche Kombinationen, aus
denen man nur eine benutzen kann.

Vier Qubits in einer Superposition

können jedoch in allen der 16 Kombinationen auf einmal
sein!

Diese Nummer steigt exponentiell mit jedem
weiteren Qubit.

20 von ihnen können bereits eine Million
Werte gleichzeitig darstellen.

Eine wirklich merkwürdige Eigenschaft,
welche Qubits haben können,

ist eine Verstrickung, eine enge
Verbindung, die jeden dieser Qubits

zur Veränderung des Stadiums eines anderen
Qubits sofort reagieren lässt,

egal wie weit sie voneinander weg sind.

Dies bedeutet, dass, wenn man ein
verstricktes Qubit misst,

man sofort den Wert aller anderen mit ihm
verstrickten Qubits feststellen kann.

Die Qubit Manipulation ist
Verstand verändert.

Ein normales logisches Gatter bekommt ein
einfaches Set an Eingaben

und produziert eine definierte Ausgabe.

Ein Quanten-Gatter manipuliert
die Eingabe von Superpositionen,

rotiert die Möglichkeiten, und produziert
andere Superpositionen als Ausgabe.

Ein Quantencomputer richtet also Qubits ein,
benutzt Quanten-Gatter zum Vernetzen,

manipuliert die Warscheinlichkeiten und
misst letztlich die Ausgabe.

Die Superpositionen brechen dabei zu einer
Sequenz aus Nullen und Einsen zusammen.

Dies bedeutet, dass die ganzen
Rechnungen,

welche mit der Konfiguration möglich sind, zeitgleich berechnet werden.

Letztendlich kann man nur eins der Ergebnisse messen

und es wird nur vielleicht das Ergebnis sein, welches man will,

sodass man möglicherweise doppelt überprüfen und nochmals probieren muss..

Wenn man aber die Superposition und Verwicklung geschickt ausnutzt,

kann dies exponentiell effizienter sein,

als es jemals auf einem normalen Computer wäre.

Obwohl Quantencomputer wohl nicht unsere Computer zu Hause ersetzen werden,

sind sie in manchen Bereichen weit überlegen.

Einer dieser Bereiche ist die Datenbanksuche.

Um etwas in einer Datenbank zu finden,

muss ein normaler Computer möglicherweise jeden einzelnen Eintrag testen.

Quantenalgorithmen benötigen nur die Quadratwurzel dieser Zeit,

was für große Datenbanken einen entscheidenden Unterschied macht.

Der berühmteste Gebrauch von Quantencomputer ruiniert die IT-Sicherheit.

Jetzt gerade werden dein Browsing, deine E-Mail und deine Kontodaten

durch ein verschlüsseltes System geheim gehalten, in dem man jedem

einen öffentlichen Schlüssel zum Verschlüsseln von Nachrichten gibt, die man nur selber entschlüsseln kann.

Das Problem ist, dass dieser öffentliche Schlüssel tatsächlich benutzt werden kann,

um deinen privaten geheimen Schlüssel zu errechnen.

Zum Glück würde die notwendige Mathearbeit auf einem normalen Computer

praktisch Jahre dauern und man würde ewig versuchen, und falsch liegen.

Aber ein Quantencomputer mit exponentieller Beschleunigung

könnte es in einem Luftzug tun.

Ein weitere aufregende Nutzung sind Simulationen.

Simulationen der Quantenwelt sind sehr reich an Mitteln,

aber bei noch größeren Strukturen wie beispielsweise Molekülen,

fehlt ihnen oft die Genauigkeit.

Also warum simuliert man nicht die Quantenphysik mit der tatsächlichen Quantenpyhsik?

Quantensimulationen könnten neue Einblicke in Proteine verschaffen,

die unsere Medizin revolutionieren könnten.

Im Moment wissen wir nicht, ob Quantencomputer

nur ein sehr spezialisiertes Werkzeug oder eine große Revolution für die Menschheit sein werden.

Wir haben keine Ahnung, wo die Grenzen der Technologie liegen,

und es gibt nur einen einzigen Weg, um dies herauszufinden!

Diese Video wurde von der Australischen Wissenschaftsakademie unterstützt,

die Exzellenz in der Wissenschaft unterstützt und fördert.

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