Quanteninformatik
Die Quanteninformatik oder Quanteninformationsverarbeitung ist die Wissenschaft von einer Informationsverarbeitung, die quantenmechanische Phänomene nutzt. Dabei werden neue Perspektiven gesehen. So könnten 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.
Insbesondere in Institutsnamen, aber gelegentlich auch im sonstigen Sprachgebrauch, wird das Forschungsgebiet Quanteninformatik auch mit seinem Forschungsobjekt, also der Quanteninformation, bezeichnet.
Theoretische Grundlagen
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.
Ein wichtiges Thema in der Quanteninformatik ist die Kommunikation. Information werden über Quantenkanäle zwischen Knoten eines Quantennetzwerkes gesendet. Eine Möglichkeit zur Übertragung 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 könnten abhörsichere, extrem schnelle Netzwerke möglich werden.[1] Die sichere Verschlüsselung von gesendeten Nachrichten erfolgt durch Quantenkryptografie, könnte aber auch für die Vernetzung von Quantencomputern genutzt werden.
Quantencomputer
Ziel der Quanteninformatik ist die Entwicklung eines Quantencomputers. 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
- Dagmar Bruß: Quanteninformation. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2015, ISBN 978-3-596-30422-6.
- Matthias Homeister: Quantum Computing verstehen. 5. Auflage. Springer/Vieweg, Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-22883-5.
- B. Lenze: Mathematik und Quantum Computing. 2. Auflage. Logos Verlag, Berlin 2020, ISBN 978-3-8325-4716-5.
- R.J. Lipton, K.W. Regan: Quantum Algorithms via Linear Algebra: A Primer. MIT Press, Cambridge MA 2014, ISBN 978-0-262-02839-4 (englisch).
- Wolfgang Scherer: Mathematik der Quanteninformatik. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-49079-2.
- Wolfgang Tittel, Jürgen Brendel, Nicolas Gisin, Grégoire Ribordy, Hugo Zbinden: Quantenkryptographie. In: Physikalische Blätter. Band 55, Nr. 6, 1999, S. 25, doi:10.1002/phbl.19990550608.
- R.F. Werner: Quantum Information Theory - an Invitation. In: Quantum Information - An Introduction to Basic Theoretical Concepts and Experiments (= Springer Tracts in Modern Physics). Springer, 2001, doi:10.1007/3-540-44678-8_2, arxiv:quant-ph/0101061 (englisch).
- C.P. Williams: Explorations in Quantum Computing. 2. Auflage. Springer-Verlag, London 2011, ISBN 978-1-84628-886-9 (englisch).
Weblinks
- Amit Hagar und Michael Cuffaro: Quantum Computing. In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy.
- Quanteninformatik - Lexikon der Physik
Einzelnachweise
- Fraunhofer FOKUS Kompetenzzentrum Öffentliche IT: Das ÖFIT-Trendsonar der IT-Sicherheit - Quantenkommunikation. April 2016, abgerufen am 20. Mai 2016.