Einfache Anwendungen: Qubits in Aktion – Codes knacken und Klima modellieren
Übersicht
Auf einen Blick
Schlüsselbegriffe: Quantencomputing, Quantenalgorithmus, Kryptografie, Wettervorhersage, Klimamodellierung, Moleküldesign, Bits, Qubits
Alter: 16-19
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: keine
Zeitrahmen: 90 Minuten
Autor: Gerasimos Anagnostopoulos (GR)
Material
- Computer oder Tablets
- Internetverbindung
Einführung in die Unterrichtseinheit
Das Unterrichtsmaterial dient als Einführung in das Quantencomputing – sowohl für Lehrende als auch für Lernende.
Für Lehrkräfte: Im Kapitel Die Überlegenheit von Quantenalgorithmen können sich Lehrkräfte mit den Anwendungen von Quantenalgorithmen wie dem Deutsch-Algorithmus, dem Deutsch-Jozsa-Algorithmus, dem Shor-Algorithmus und dem Grover-Algorithmus vertraut machen.
Teile des Materials haben (interaktive) Arbeitsblätter für Schüler*innen.
Quantencomputer sind schnell – Quantenüberlegenheit
Quantencomputer können bestimmte Probleme viel schneller lösen als klassische Computer. Sie eignen sich besonders für Aufgaben wie das Knacken von Codes, das Entwerfen neuer Moleküle für Medikamente oder die Biotechnologie sowie für die Optimierung komplexer Systeme wie Klimamodelle. Die höhere Geschwindigkeit bei der Ausführung eines Programms auf einem Quantencomputer beruht auf besonderen Eigenschaften der Quantenphysik – wie Superposition und Verschränkung –, die es Quantencomputern ermöglichen, Programmierschritte parallel statt sequenziell, also nacheinander, auszuführen. Mit „parallel“ sind hier allerdings nicht die klassischen Parallelrechner gemeint, die Teile eines Computerprogramms parallel ausführen – das heißt: jeden Teil auf einem anderen Kernprozessor. Beim Quantencomputing bedeutet parallel, dass das, was auf einem klassischen Computer mehrere Schritte erfordert, auf einem Quantencomputer in einem einzigen Schritt erledigt wird.
Quantenüberlegenheit bezieht sich auf die Tatsache, dass ein Quantencomputer bestimmte Rechenprobleme deutlich schneller löst als die modernsten klassischen Supercomputer. Das bedeutet jedoch nicht, dass Quantencomputer universell überlegen sind: Sie können nicht jedes Problem effizienter lösen als klassische Computer. Die Herausforderung besteht heute darin, Quantencomputer zu entwickeln, die in der Lage sind, über die bloße Demonstration ihrer Überlegenheit hinaus reale Anwendungen zu lösen.
In den letzten Jahren haben große Technologieunternehmen wie Google, IBM und Microsoft bedeutende Fortschritte bei der Quantencomputer-Hardware erzielt. Die Prozessoren von Google, wie Sycamore und zuletzt Willow, haben die Quantenüberlegenheit unter Beweis gestellt. Google legt dabei den Schwerpunkt auf die Leistung und Skalierbarkeit von Qubits. IBM hat seine Quantencomputer-Kapazitäten stetig ausgebaut und kürzlich Prozessoren mit mehr als 400 Qubits vorgestellt, wobei der Fokus auf längeren Kohärenzzeiten und geringeren Fehlerraten liegt – das heißt: auf stabileren Qubits –, um die Zuverlässigkeit der Rechenergebnisse zu verbessern. IBM bietet auch cloudbasierte Quantencomputer-Plattformen an (IBM Quantum). Microsoft verfolgt einen anderen Ansatz, um stabile Qubits zu erhalten: Das Ziel ist die Entwicklung robuster, fehlerresistenter Qubits. Diese Technologie ist allerdings noch weitgehend experimentell.
Ein Qubit (kurz für Quantenbit) ist das quantenmechanische Gegenstück zu einem klassischen Bit. In klassischen Computern ist die Grundeinheit der Information das Bit, das zwei mögliche Werte annehmen kann (typischerweise “” und “”). In der Quanteninformatik ist die kleinste Informationseinheit das Qubit – ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen, wie beispielsweise der Spin eines Elektrons oder die Polarisation eines Photons. Die beiden Grundzustände eines Qubits werden in der Regel durch und dargestellt. Während ein klassisches Bit nur die Werte 0 oder 1 annehmen kann, kann sich ein Qubit im Zustand , im Zustand oder in einer beliebigen Überlagerung dieser beiden Zustände befinden.
Zwar dominieren Google, Microsoft und IBM derzeit den Bereich des Quantencomputings, doch Europa wird zunehmend aktiv. In den letzten Jahren sind viele Unternehmen entstanden, die verschiedene Arten von Quantencomputern entwickelt haben: IQM (Finnland – supraleitende Quantencomputer), Pasqal und Quandela (Frankreich – Quantencomputer, die mit lasergekühlten neutralen Atomen bzw. Photonen arbeiten), Quantinuum (Großbritannien/USA – Quantencomputer mit Ionenfallen), AQT (Österreich – Quantencomputer mit Ionenfallen), ORCA Computing (Großbritannien – photonische Computer) oder Oxford Quantum Circuits (Großbritannien – supraleitende Quantencomputer). Jedes dieser Unternehmen leistet einen einzigartigen Beitrag zur Entwicklung des Quantencomputings und verfolgt dabei unterschiedliche technische Wege hin zu praktischen Quantenanwendungen.
Es sei betont, dass Quantencomputer technisch noch nicht weit genug ausgereift sind, um im Alltag eingesetzt zu werden. Derzeit geht es eher darum zu zeigen, dass ein spezielles Problem gelöst werden kann; dieses Problem hat jedoch keinen praktischen Nutzen.
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