Sie und ich hatten die Chance, in einer erstaunlichen Zeit zu leben. Natürlich nicht die ruhigste, aber sehen Sie, was die Wissenschaft erreicht hat – wir spalten Materie nicht nur in Atome, wir schaffen Quantentechnologien und wissen sogar, wie man sie nutzt. Nehmen wir zum Beispiel Quantencomputer. Diese Maschinen führen Berechnungen basierend auf der Wahrscheinlichkeit des Zustands des Objekts vor der Messung durch & # 8212; statt 1 oder 0 Sekunden. Dies bedeutet, dass sie im Vergleich zu klassischen Computern, die einfache logische Aufgaben und Operationen ausführen, exponentiell mehr Daten verarbeiten können. Solche Technologien werden seit Jahrzehnten entwickelt und mindestens zwei Programme, die für einen Quantencomputer geschrieben wurden, stammen aus den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts. Einer von ihnen zerlegt große Zahlen in Primfaktoren und bricht so die aktuelle Computerverschlüsselung. Das zweite Programm kann Suchen durchführen, die die Quadratwurzel der auf herkömmlichen Computern dafür verbrachten Zeit benötigen.
Quantencomputer sind die Technologie der Zukunft
Quantentechnologien is ein komplexes Gebiet der Physik, das das Verhalten von subatomaren Teilchen erforscht – Teilchen, die kleiner als Atome sind, den Grundbausteinen aller Materie im Universum.
Reden wir über Qubits
Einer der Hauptinteressensgebiete der Quantentechnologie ist das Quantencomputing. Im Gegensatz zu einem klassischen Computer, der Berechnungen nacheinander durchführt, kann ein Quantencomputer viele Berechnungen gleichzeitig durchführen.
Die grundlegende Informationseinheit beim Quantencomputing ist & # 171; Bit & # 187;, das einen von zwei Binärwerten darstellt – entweder Null oder Eins.
Im Wesentlichen ein Qubit Ist eine Mischung aus den Wörtern & # 171;quantum & # 187; und & # 171;-Bit & # 187;. In modernen Computern und Smartphones sind Bits die kleinste Einheit zur Informationsspeicherung. In diesem Fall enthält jeder von ihnen entweder den Wert 0 oder den Wert Eins. Aber in einem Qubit ist das Bit ein Quantenteilchen. Und das ändert alles.
Ein Quantencomputer arbeitet nach einem probabilistischen Prinzip.
Ein Qubit hat die Flexibilität, entweder Null, Eins oder beide gleichzeitig darzustellen. Diese Fähigkeit eines Objekts, in mehr als einer Form gleichzeitig zu existieren, wird als Superposition bezeichnet. Wenn jedoch mehrere Qubits in einem Computer miteinander interagieren, wird die Situation komplizierter, da der Begriff der Verschränkung entsteht: Viele Teilchen in einem Quantensystem sind miteinander verbunden und beeinflussen sich gegenseitig.
Die Entwicklung von Quantencomputern wird zu wissenschaftlichen Durchbrüchen in Biologie, Chemie, Medizin und Verkehr führen.
Wenn beispielsweise ein Qubit eine Null darstellt, nimmt das andere damit verbundene Qubit den Wert Eins an und umgekehrt – dies macht die Messung jedes Qubits vom anderen abhängig. Da die Grundbausteine von Quantencomputern alle Möglichkeiten gleichzeitig darstellen können, sind sie theoretisch viel schneller und leistungsfähiger als die herkömmlichen Computer, die wir gewohnt sind.
Zukunftstechnologien
Physiker in China haben kürzlich einen Quantencomputer auf den Markt gebracht, von dem sie sagen, dass er 1 Millisekunde brauchte, um eine Aufgabe zu erledigen, für die ein herkömmlicher Computer 30 Billionen Jahre gebraucht hätte! Dies liegt daran, dass Operationen beim Quantencomputing den Quantenzustand eines Objekts verwenden, um ein Qubit zu erstellen.
Diese Zustände stellen undefinierte Eigenschaften des Objekts dar, bevor sie entdeckt wurden, wie z die Rotation eines Elektrons oder die Polarisation eines Photons.
Anstatt eine klare Position zu haben, entstehen ungemessene Quantenzustände in einer gemischten 'Überlagerung'. Diese Überlagerungen können mit Überlagerungen anderer Objekte in Beziehung gesetzt werden, was bedeutet, dass ihre Endergebnisse mathematisch in Beziehung stehen, auch wenn wir noch nicht wissen, was sie sind.
Quantencomputer verwenden Eigenschaften von Quantensystemen wie Superposition und Verschränkung, um zu berechnen.
Sie fragen sich vielleicht: Können Quantenmechanik erklärt die Existenz der Raumzeit?
Wie baut man einen Quantencomputer?
Um also einen funktionsfähigen Quantencomputer zu bauen, müssen Sie ein Objekt lange genug in einem Überlagerungszustand halten, um verschiedene Prozesse an ihm auszuführen. Sobald die Überlagerung auf Materialien trifft, die Teil des zu messenden Systems sind, verliert sie leider ihren Zwischenzustand in der sogenannten Dekohärenz .
< p> Es stellte sich heraus, dass diese Geräte in der Lage sein sollten, Quantenzustände vor Dekohärenz zu schützen und gleichzeitig leicht lesbar zu machen.
Quantenzustände der Überlagerung und Verschränkung sind extrem fragil, und ohne die richtige Temperatur und Umgebungsbedingungen verlieren sie schnell ihre Qualitäten und verhalten sich unregelmäßig. Derzeit sind Quantencomputer sehr empfindlich : Hitze, elektromagnetische Felder und Kollisionen mit Luftmolekülen können zu Dekohärenz und Systemausfällen führen.
Quantencomputer sind heute sehr empfindlich
Im Idealfall sollten Quantencomputer Qubits vor externen Störungen schützen, indem sie sie entweder physikalisch isolieren, kühl halten oder mit sorgfältig kontrollierten Energieimpulsen aufladen. Zusätzliche Qubits werden benötigt, um Fehler zu korrigieren, die das System infiltrieren.
Der Bedarf an spezialisierter Hardware ist ein Hauptgrund dafür, dass nur Länder, die bereit sind, große Ressourcen zu investieren, Quantencomputer lernen. Und da sich die Wissenschaft rasant entwickelt, werden Physiker früher oder später ihr Ziel erreichen.
In einem Papier aus dem Jahr 2020 skizzierten Physiker aus China drei Anwendungen der Quantentechnologie, die das Land zu entwickeln versuchte. Quantensensoren könnten beispielsweise ein U-Boot erkennen, das Hunderte von Metern unter dem Ozean lauert, oder Geräte ansteuern, die monatelang ohne GPS-Signal unabhängig arbeiten könnten.
Die Technologie der Zukunft ist da, nur ein bisschen warten
Und auch Quantencomputer können Forschern helfen, Neues zu entwickeln Medikamente durch die Simulation größerer und komplexer Moleküle sind viel schneller. Ein paar hundert verschränkte Qubits würden ausreichen, um mehr Zahlen als Atome im Universum darzustellen!
Lesen Sie hier mehr über die neuesten Entdeckungen in der Quantenphysik.
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