Table Of ContentBeatrice Marie Ellerhoff
Mit Quanten
rechnen
Quantencomputer für Neugierige
essentials
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Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13088
Beatrice Marie Ellerhoff
Mit Quanten rechnen
Quantencomputer für Neugierige
Beatrice Marie Ellerhoff
Institut für Umweltphysik
Universität Heidelberg
Heidelberg, Baden-Württemberg
Deutschland
ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic)
essentials
ISBN 978-3-658-31221-3 ISBN 978-3-658-31222-0 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-31222-0
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Planung/Lektorat: Lisa Edelhaeuser
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Was Sie in diesem essential finden können
• Die Funktionsweise von Quantencomputern
• Eine anschauliche Erklärung von Quantenverschränkung
• Wie Quanten zum Rechnen verwendet werden können
• Die Herleitung von Quantenalgorithmen, einfach erklärt
• Die Verfahren und Bedeutung der Quantenfehlerkorrektur
• Aktuelle Herausforderungen und mögliche Anwendungen von Quanten-
computern
V
Vorwort
Die Phänomene der Quantenmechanik faszinieren schon lange nicht mehr nur
die Forschungswelt. Die bizarren Eigenschaften der winzigen Bausteine unsere
Materie, genannt Quanten, wecken breite Neugierde: Ihre Nutzbarmachung hat
das Potential, Quantencomputern mit einer Rechenleistung zu versehen, die
exponentiell schneller ist als die der besten Hochleistungsrechner unserer Zeit.
Daher ist ihre Entwicklung von großer Bedeutung für Forschung, Industrie und
Gesellschaft. Das vorliegende Büchlein geht den Quantenphӓnomenen der Ver-
schränkung und Überlagerung sowie der Frage, wie sie zum Rechnen verwendet
werden können, auf den Grund. Es hat zum Ziel, lebendig und anschaulich ein
Verständnis für die Vorgӓnge in Quantencomputern zu schaffen. Beginnend
mit der Kodierung von Information, über die Erklärung einfacher Algorithmen,
bis hin zu möglichen Anwendungen, freue ich mich darauf, die neugierigen
Leserinnen und Leser durch die Welt des Quantenrechnens zu führen. Dieses
Büchlein sei meinem Vater gewidmet, der die Neugierde für die Wissenschaft in
mir geweckt hat. Ich bin sehr froh, als junge Forscherin die Chance zu erhalten,
diese Begeisterung weiterzugeben und danke allen, die dabei mitwirken. Einen
besonderen Dank möchte ich aussprechen an Tim Ellerhoff für die liebevolle
Unterstützung und an Amelie Scupin, Bruno Faigle-Cedzich, Christopher Lance,
Shirin Ermis und Uli Schünemann für das gründliche und kritische Lesen des
Textes.
Heidelberg Beatrice Marie Ellerhoff
Juni 2020
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ................................................. 1
2 Quantenrevolution ......................................... 3
2.1 Quantenmechanik in unserem Alltag ........................ 3
2.2 Unvorstellbares Rechenpotential ........................... 6
3 Grundbausteine des Quantenrechnens ......................... 9
3.1 Von Bits zu Quantenbits .................................. 9
3.2 Quantenvorteil durch Verschränkung ........................ 12
3.3 Quantengatter und -algorithmen ........................... 15
4 Quantencomputer heute und morgen .......................... 21
4.1 Die Suche nach der optimalen Hardware ..................... 21
4.2 Das Problem der Dekohärenz ............................. 25
4.3 Die Zukunft des Quantenrechnens .......................... 29
5 Zusammenfassung .......................................... 33
Glossar ...................................................... 37
Literatur ..................................................... 39
IX
Über die Autorin
Beatrice Marie Ellerhoff ist Doktorandin am
Institut für Umweltphysik in Heidelberg. Bereits
wӓhrend ihres Physikstudiums an der Uni-
versität Heidelberg schrieb sie für den Blog www.
manybodyphysics.com und das Science Notes
Magazin. Sie arbeitete vier Jahre lang als HiWi am
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung
unter anderem in der Gruppe von Nobelpreisträger
Stefan Hell. In ihrer Masterarbeit untersuchte sie
die Verschränkung von vielen ultrakalten Quanten-
teilchen. Im Rahmen ihrer Promotion am Institut für
Foto: Ute von Figura Umweltphysik wendet sich Beatrice Ellerhoff nun
der makroskopisch greifbaren Welt zu und erforscht
die Grundlagen von Klimaschwankungen auf langen
Zeitskalen in der Gruppe von Kira Rehfeld. Dabei
fasziniert sie insbesondere die tiefe Verflechtung
physikalischer Konzepte über einzelne Disziplinen
hinweg. Neben der Forschung zӓhlt Laufsport und
Jazzpiano zu ihren großen Leidenschaften. Sie ist
Stipendiatin der Heidelberger Graduiertenschule für
fundamentale Physik.
Beatrice Marie Ellerhoff, Institut für Umwelt-
physik Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 229,
69120 Heidelberg.
XI
1
Einleitung
AusphysikalischerSichtwurdedasvergangeneJahrhundertwesentlichdurchdie
Quantenmechanik geprägt. Neben Albert Einstein’s Relativitätstheorie führte vor
allem die Quantentheorie zu einem Paradigmenwechsel, der den wissenschaftli-
chen Blick auf die Gesetze der Natur grundlegend änderte. Seitdem Niels Bohr
1913 ein erstes Atommodell mit quantenmechanischen Eigenschaften vorgestellt
hat,beschreibenPhysikerinnenundPhysikerdieWeltderkleinstenTeilcheninder
SprachederQuantenmechanik.EnergieundMaterieliegenhierbeinichtkontinuier-
lichsondernstückweise„inQuanten“ vor.DieQuantenmechanikgehtsogarnoch
weiter,indemsienichtalleineStrahlungsondernauchMateriealsWellenbeschreibt
–LichtquantensindWelleundTeilchenzugleich.
Diese moderne Physik schuf die Grundlage für eine Vielzahl neuer Errun-
genschaften.Von der Entdeckunggrundlegender Prinzipien bis hin zu den ersten
Anwendungen,wieetwademLaser,wareseinerstaunlichkurzerWeg.Nunbahnt
sich ein weiterer „Quantensprung“ an: In Zukunft sollen Quanten zur Informa-
tionsverarbeitung genutzt werden und so nie dagewesene Computerarchitekturen
ermöglichen.QuantencomputerkönntendieRechenleistungheutigerSuperrechner
um ein Vielfaches überbieten und dadurch noch ungelöste Fragen, zum Beispiel
imBereichderMedikamentenentwicklung,beantworten.Heutearbeitenzahlreiche
ForschungsgruppenundUnternehmenintensivdaran,diesenQuantencomputeraus
seinenKinderschuhenzuholenundversprechensichneueErkenntnissefürviele
BereichederIndustrieundForschung.
©SpringerFachmedienWiesbadenGmbH,einTeilvonSpringerNature2020 1
B.M.Ellerhoff,MitQuantenrechnen,essentials,
https://doi.org/10.1007/978-3-658-31222-0_1
