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Quanteninformatik: Unterschied zwischen den Versionen

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Die '''Quanteninformatik''' oder '''Quanteninformationsverarbeitung''' ist die [[Wissenschaft]] von der [[Elektronische Datenverarbeitung|Informationsverarbeitung]] mit [[Informationsträger]]n, die [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Phänomene nutzen. Diese unterscheiden sich in wesentlichen Eigenschaften von klassischen Informationsträgern und schaffen so neue Perspektiven. So können damit einige Berechnungen wesentlich schneller durchgeführt werden, als es mittels [[Computer|klassischer Computer]] möglich ist. Die Quanteninformatik wird zu den [[Quantentechnologie]]n gezählt.
 
Die klassische Informationsverarbeitung verwendet stets [[makroskopisch]] viele Teilchen zur Repräsentation eines Zustands. Zwar unterliegen die einzelnen Teilchen quantenmechanischen Gesetzen, jedoch kann deren quantenmechanische Eigenart bei makroskopisch vielen Teilchen aufgrund des [[Korrespondenzprinzip]]s vernachlässigt werden.
 
== Quanteninformation ==
{{Hauptartikel|Quanteninformation}}
 
In der Quanteninformatik ersetzt die [[Quanteninformation]] die klassische [[Information]]. Analog zum [[Bit]] der klassischen Information gibt es in der Quanteninformation ebenfalls eine kleinste Einheit, das [[Qubit]]. Hierbei handelt es sich um ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System.
 
In der Quanteninformatik werden die Quanteneigenschaften eines Systems von Qubits ausgenutzt. Neben der [[Superposition (Physik)|Superposition]] ist dies insbesondere die [[Quantenverschränkung|Verschränkung]], die sich als [[Interferenz (Physik)|Interferenz]] verschiedener Basiszustände interpretieren lässt.
 
Aufgrund des [[Komplementarität (Physik)|Komplementaritätsprinzips]] und der damit verbundenen quantenmechanischen [[Unschärferelation]] kann der Zustand von Qubits nicht vollständig ausgelesen werden. Vielmehr führt jedes Lesen eines Qubits zu einem [[Kollaps der Wellenfunktion]], so dass letztlich nur ein klassisches Bit ausgelesen wird. Aus diesem Grunde arbeiten Quantenalgorithmen generell probabilistisch, d. h. ein Durchlauf liefert nur mit einer gewissen (möglichst hohen) Wahrscheinlichkeit das gewünschte Ergebnis.
 
== Quantenkommunikation ==
 
Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Quanteninformatik ist die Quantenkommunikation. Bei dieser wird Quanteninformation über [[Quantenkanal|Quantenkanäle]] zwischen Knoten eines [[Quantennetzwerk]]es gesendet. Eine Möglichkeit um Quanteninformation zu übertragen ist die Verwendung von [[Quantenteleportation]], bei der zwei Quanten zu einem gemeinsamen quantenphysikalischen Zustand verschränkt werden. Auch wenn sie getrennt werden, bleiben sie über große Strecken miteinander verbunden. [[Albert Einstein]] hatte den Effekt als [[spukhafte Fernwirkung]] bezeichnet. Dadurch werden abhörsichere, extrem schnelle Netzwerke ermöglicht<ref>{{Internetquelle|url=https://www.oeffentliche-it.de/trendsonar|titel=Das ÖFIT-Trendsonar der IT-Sicherheit - Quantenkommunikation|autor=Fraunhofer FOKUS Kompetenzzentrum Öffentliche IT|hrsg=|werk=|datum=April 2016|sprache=|zugriff=20. Mai 2016}}</ref>. Quantenkommunikation erlaubt insbesondere die sichere Verschlüsselung von gesendeten Nachrichten durch [[Quantenkryptografie]], könnte aber auch für die Vernetzung von [[Quantencomputer]]n (siehe nächster Abschnitt) genutzt werden.
 
== Quantencomputer ==
{{Hauptartikel|Quantencomputer}}
 
Das ehrgeizigste Ziel der Quanteninformatik ist die Entwicklung eines [[Quantencomputer]]s, der für praktische Aufgaben eingesetzt werden kann. Ein solcher könnte dank des [[Quantenparallelismus]] bestimmte Aufgaben, für die ein klassischer Computer sehr lange braucht, in wesentlich kürzerer Zeit berechnen. Ein Beispiel für die extreme Beschleunigung der Lösung bestimmter Probleme ist der [[Shor-Algorithmus]] zur Zerlegung des Produkts zweier [[Primzahl]]en in seine Faktoren. Dieser Algorithmus hat eine besondere Relevanz, da die Sicherheit des verbreiteten [[RSA-Kryptosystem|RSA]]-Verschlüsselungsverfahrens gerade auf der Schwierigkeit dieser Zerlegung beruht.
 
Ähnlich wie klassische Computer funktionieren auch Quantencomputer mit diskreten Operationen, die nur auf eine begrenzte Zahl von Qubits wirken. Solche Operationen nennt man [[Quantengatter]].
 
Ein Problem bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die [[Dekohärenz]], die Quantenzustände in klassische Zufallsverteilungen überführt. Zu deren Kompensation braucht man spezielle Fehlerkorrekturverfahren, die ohne die Messung der Qubits auskommen, denn diese Messung würde ihrerseits den Quantenzustand zerstören. Diese Verfahren werden als [[Quantenfehlerkorrektur]] bezeichnet.
 
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Kategorie:Quanteninformatik}}
* {{WikipediaDE|Quanteninformatik}}
* {{WikipediaDE|Quanteninformation}}
* {{WikipediaDE|Quantentomographie}}
 
== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Jürgen Brendel |Titel=Quantenphänomene des Lichts |Verlag=Harri Deutsch |Ort=Frankfurt |Datum=1994 |ISBN=978-3-8171-1384-2}}
* {{Literatur |Autor=Dagmar Bruß |Titel=Quanteninformation |Verlag=Fischer Taschenbuch Verlag |Ort=Frankfurt am Main |Datum=2015 |ISBN=978-3-5963-0422-6}}
* {{Literatur |Autor=Matthias Homeister |Titel=Quantum Computing verstehen |Verlag=Springer/Vieweg |Ort=Wiesbaden |Datum=2015 |Auflage=4. |ISBN=978-3-658-10454-2}}
* {{Literatur |Autor=B. Lenze |Titel=Mathematik und Quantum Computing |Verlag=Logos Verlag |Ort=Berlin |Datum=2018 |ISBN=978-3-8325-4716-5}}
* {{Literatur |Autor=R.J. Lipton, K.W. Regan |Titel=Quantum Algorithms via Linear Algebra: A Primer |Verlag=MIT Press |Ort= Cambridge MA |Sprache=en |Datum=2014 |ISBN=978-0-2620-2839-4}}
* {{Literatur |Autor=Wolfgang Scherer |Titel=Mathematik der Quanteninformatik |Verlag=Springer Spektrum |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=2016 |ISBN=978-3-662-49079-2}}
* {{Literatur |Autor=Wolfgang Tittel, Jürgen Brendel, Nicolas Gisin, Grégoire Ribordy, Hugo Zbinden |Titel=Quantenkryptographie |Sammelwerk=Physikalische Blätter |Band=55 |Nummer=6 |Datum=1999 |Seiten=25 |DOI=10.1002/phbl.19990550608 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/phbl.19990550608}}
* {{Literatur |Autor=R.F. Werner |Titel=Quantum Information Theory - an Invitation |Sammelwerk=Quantum Information - An Introduction to Basic Theoretical Concepts and Experiments |Reihe=Springer Tracts in Modern Physics |Verlag=Springer |Datum=2001 |Sprache=en |DOI=10.1007/3-540-44678-8_2 |Arxiv=quant-ph/0101061}}
* {{Literatur |Autor=C.P. Williams |Titel=Explorations in Quantum Computing |Verlag=Springer-Verlag |Ort=London |Datum=2011 |Auflage=2. |Sprache=en |ISBN=978-1-8462-8886-9}}
 
== Weblinks ==
* Universität Karlsruhe, Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP): [http://www-tfp.physik.uni-karlsruhe.de/Forschung/quantumcomp.shtml Quantum Computing] - Einige Papers zum Quantenrechnen aus physikalischer Sicht
* Universität Karlsruhe, Institut für Algorithmen und Kognitive Systeme(IAKS), Arbeitsgruppe Quantum Computing: {{Webarchiv | url=http://iaks-www.ira.uka.de/QIV/index.html | wayback=20070702132845 | text=Umfangreiche Vorlesungsmaterialien, Abbild der Lehrveranstaltungen}}, abgerufen am 24. Juli 2011
* BMBF: [http://www.nanoquit.de/ Forschungsthema nanoQUIT]
* {{Webarchiv | url=http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/mpForschung/2006/heft03/pdf16.pdf | wayback=20091021125751 | text=Bericht vom MPI für Quantenoptik}} (PDF-Datei; 2,96 MB)
* heise.de: [https://www.heise.de/newsticker/meldung/Quantenkommunikation-im-All-192135.html Quantenkommunikation im All]
* [https://www.google.com/search?q=Quantencomputer&rlz=1C1ONGR_deDE983DE983&source=lnms&tbm=vid&sa=X&ved=2ahUKEwj-pfSk1MT8AhXOm6QKHUlpC-oQ_AUoA3oECAEQBQ&biw=1385&bih=671&dpr=1.38#fpstate=ive&vld=cid:abf5cf89,vid:u5S-hEvq9SI Wie funktioniert ein Quantencomputer] YouTube
 
== Einzelnachweise ==
<references />
 
{{Normdaten|TYP=s|GND=4705961-8}}
 
[[Kategorie:Quanteninformatik|!]]
{{Wikipedia}}

Aktuelle Version vom 13. Januar 2023, 15:42 Uhr

Die Quanteninformatik oder Quanteninformationsverarbeitung ist die Wissenschaft von der Informationsverarbeitung mit Informationsträgern, die quantenmechanische Phänomene nutzen. Diese unterscheiden sich in wesentlichen Eigenschaften von klassischen Informationsträgern und schaffen so neue Perspektiven. So können damit einige Berechnungen wesentlich schneller durchgeführt werden, als es mittels klassischer Computer möglich ist. Die Quanteninformatik wird zu den Quantentechnologien gezählt.

Die klassische Informationsverarbeitung verwendet stets makroskopisch viele Teilchen zur Repräsentation eines Zustands. Zwar unterliegen die einzelnen Teilchen quantenmechanischen Gesetzen, jedoch kann deren quantenmechanische Eigenart bei makroskopisch vielen Teilchen aufgrund des Korrespondenzprinzips vernachlässigt werden.

Quanteninformation

Hauptartikel: Quanteninformation

In der Quanteninformatik ersetzt die Quanteninformation die klassische Information. Analog zum Bit der klassischen Information gibt es in der Quanteninformation ebenfalls eine kleinste Einheit, das Qubit. Hierbei handelt es sich um ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System.

In der Quanteninformatik werden die Quanteneigenschaften eines Systems von Qubits ausgenutzt. Neben der Superposition ist dies insbesondere die Verschränkung, die sich als Interferenz verschiedener Basiszustände interpretieren lässt.

Aufgrund des Komplementaritätsprinzips und der damit verbundenen quantenmechanischen Unschärferelation kann der Zustand von Qubits nicht vollständig ausgelesen werden. Vielmehr führt jedes Lesen eines Qubits zu einem Kollaps der Wellenfunktion, so dass letztlich nur ein klassisches Bit ausgelesen wird. Aus diesem Grunde arbeiten Quantenalgorithmen generell probabilistisch, d. h. ein Durchlauf liefert nur mit einer gewissen (möglichst hohen) Wahrscheinlichkeit das gewünschte Ergebnis.

Quantenkommunikation

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Quanteninformatik ist die Quantenkommunikation. Bei dieser wird Quanteninformation über Quantenkanäle zwischen Knoten eines Quantennetzwerkes gesendet. Eine Möglichkeit um Quanteninformation zu übertragen ist die Verwendung von Quantenteleportation, bei der zwei Quanten zu einem gemeinsamen quantenphysikalischen Zustand verschränkt werden. Auch wenn sie getrennt werden, bleiben sie über große Strecken miteinander verbunden. Albert Einstein hatte den Effekt als spukhafte Fernwirkung bezeichnet. Dadurch werden abhörsichere, extrem schnelle Netzwerke ermöglicht[1]. Quantenkommunikation erlaubt insbesondere die sichere Verschlüsselung von gesendeten Nachrichten durch Quantenkryptografie, könnte aber auch für die Vernetzung von Quantencomputern (siehe nächster Abschnitt) genutzt werden.

Quantencomputer

Hauptartikel: Quantencomputer

Das ehrgeizigste Ziel der Quanteninformatik ist die Entwicklung eines Quantencomputers, der für praktische Aufgaben eingesetzt werden kann. Ein solcher könnte dank des Quantenparallelismus bestimmte Aufgaben, für die ein klassischer Computer sehr lange braucht, in wesentlich kürzerer Zeit berechnen. Ein Beispiel für die extreme Beschleunigung der Lösung bestimmter Probleme ist der Shor-Algorithmus zur Zerlegung des Produkts zweier Primzahlen in seine Faktoren. Dieser Algorithmus hat eine besondere Relevanz, da die Sicherheit des verbreiteten RSA-Verschlüsselungsverfahrens gerade auf der Schwierigkeit dieser Zerlegung beruht.

Ähnlich wie klassische Computer funktionieren auch Quantencomputer mit diskreten Operationen, die nur auf eine begrenzte Zahl von Qubits wirken. Solche Operationen nennt man Quantengatter.

Ein Problem bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die Dekohärenz, die Quantenzustände in klassische Zufallsverteilungen überführt. Zu deren Kompensation braucht man spezielle Fehlerkorrekturverfahren, die ohne die Messung der Qubits auskommen, denn diese Messung würde ihrerseits den Quantenzustand zerstören. Diese Verfahren werden als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet.

Siehe auch

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Fraunhofer FOKUS Kompetenzzentrum Öffentliche IT: Das ÖFIT-Trendsonar der IT-Sicherheit - Quantenkommunikation. April 2016, abgerufen am 20. Mai 2016.
Dieser Artikel basiert auf einer für AnthroWiki adaptierten Fassung des Artikels Quanteninformatik aus der freien Enzyklopädie de.wikipedia.org und steht unter der Lizenz Creative Commons Attribution/Share Alike. In Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.