Adiabatische Quantencomputer
Im Anschluss ihres Erasmus-Auslandsjahr in Lyon hat sich Alexandra Krause als angehende Physikerin in den Bereich der Quanteninformatik vertieft. Dazu hat sie im Rahmen der Gulasch Programmiernacht (GPN16) des Entropia e.V. in der Hochschule f\xfcr Gestaltung und dem ZKM in Karlsruhe \xfcber Quantum Speedup (video) vorgetragen und Zeit gefunden, uns auch im Podcast etwas \xfcber das Thema zu erz\xe4hlen. Im Gegensatz zur klassischen Physik gelten in der Quantenmechanik eigene Regeln: So geht es hier um Teilchen in der Gr\xf6\xdfenordnung von Atomen, wo die Begriffe Teilchen und Welle verschwimmen und der quantenmechanische Zustand unbeobachtet nur noch als Zustandsgemisch beschrieben werden kann. Genau diese Eigenschaft will man sich beim Quantencomputer zu Nutze machen, wo gegen\xfcber dem klassischen digitalen Computer, der immer auf einzelnen festen Zust\xe4nden in Bits mit Logikgattern rechnet, der Quantenrechner pro Schritt in Qubits auf allen Zust\xe4nden gleichzeitig operiert. Das eigentliche Ergebnis erh\xe4lt man dort erst bei der Messung, wodurch sich der reine Zustand des Quantensystems einstellt. Der Grover-Algorithmus ist eine bekannte Anwendung f\xfcr einen Quantencomputer, der Datenbanken schneller als klassische Verfahren durchsuchen kann. Der Shor-Algorithmus kann hingegen mit einer Quanten-Fouriertransformation in polynomialer Zeit Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen kann. Damit werden viele assymetrische Kryptoverfahren wie das RSA-Verfahren obsolet, da sie auf der Schwierigkeit der klassischen Faktorisierung basieren. Shor hat in der gleichen Publikation auch ein Verfahren zur effizienten Berechnung von diskreten Logarithmen auf Quantencomputern ver\xf6ffentlicht, so dass auch Kryptoverfahren auf elliptischen Kurven durch Quantencomputer gebrochen werden, die neben dem RSA-Verfahren Basis f\xfcr viele Kryptow\xe4hrungen sind. Zum jetzigen Zeitpunkt ist es der Experimentalphysik noch nicht gelungen, allgemeine Quantensysteme in einer Gr\xf6\xdfe zu erschaffen, die f\xfcr sinnvolle Anwendungen der Verfahren erforderlich w\xe4ren. Die Schwierigkeit liegt darin, den Quantenzustand einzelner Qubits von der Umwelt abzukoppeln und nur f\xfcr die Berechnung zu verwenden, wenn doch alles in der Umgebung in Bewegung ist. In der Gr\xf6\xdfe weniger Qubits, die allgemeine Quantencomputer bisher erreichen konnten, wurden Zahlen wie 15 und 21 erfolgreich faktorisiert. Eine Hoffnung besteht hier auf dem adiabatischen Quantencomputer auf Basis adiabatischen Theorems, der von der Firma D-Wave Systems gebaut, und 2011 mit unvergleichlich vielen 128 Qubits auf den Markt gebracht wurde. Das Problem ist dabei, dass adiabatischen Quantencomputer im normalen Arbeitszustand keine universellen Quantencomputer sind, und haupts\xe4chlich Optimierungsprobleme l\xf6sen k\xf6nnen. Universelle Quantencomputer k\xf6nnen im Circuit model anschaulich jedes herk\xf6mmliches Programm abbilden: (...)