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und Quantenphysik |
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| Interview mit Prof. Robert Wille zur Software von Quantencomputern |
Die meisten von uns benutzen Software-Anwendungen fast täglich, um beispielsweise E-Mails zu schreiben oder im Internet zu surfen. Doch wie sehen zukünftig Programme aus, wenn neue Technologien wie Quantencomputer Einzug halten? Prof. Robert Wille und sein Team entwickeln schon heute die Software für morgen.
 Was macht einen Quantencomputer im Unterschied zu einem herkömmlichen Computer aus?
 Bei den bisherigen, digitalen, Computern funktionieren alle Programme basierend auf den binären Zuständen 0 und 1. Das ergibt sich, weil es sich bei diesen Rechnern um elektronische Systeme handelt, bei denen Informationen mithilfe der beiden Zustände "Strom an" (eben 1) und "Strom aus" (eben 0) verarbeitet werden.
Quantencomputer hingegen nutzen quantenmechanische Objekte, beispielsweise Ionen oder Photonen. Dabei kommen die Gesetze der Quantenmechanik ins Spiel, die neben den beiden Zuständen 0 und 1 noch sogenannte Superpositionen erlauben - also Zustände die gewissermassen 0 und 1 gleichzeitig repräsentieren. Mit diesen (und weiteren) Eigenschaften lassen sich in Zukunft bestimmte Probleme lösen, die wir aufgrund der enormen Komplexität mit bisherigen Rechnern nicht "geknackt" bekommen haben.
Was kann man sich unter einer Software für Quantencomputer vorstellen?
Das Prinzip ist ähnlich zu herkömmlichen Computern: Software ermöglicht es, dass grundsätzlich jeder einen Rechner bedienen kann - selbst wenn er/sie keine Ahnung von elektrischen Schaltungen hat. Das Gleiche soll Software für Quantencomputer leisten: Die Endanwender/innen sollen diese neue Technologie auch ohne Wissen von Quantenphysik und Quantenmechanik nutzen können. Da Quantensysteme aber anders funktionieren als elektrische Schaltungen, müssen wir hierfür die Software neu entwickeln.
Wie gehen Sie bei Ihrer Forschung vor?
Zunächst müssen wir uns bei der Entwicklung von Softwarelösungen immer die Frage stellen, ob das identifizierte Problem überhaupt für Quantencomputer geeignet ist. Quantencomputing ist keine eierlegende Wollmilchsau. Es gibt Probleme, für die eignet sich der Quantencomputer besser und für andere sollte man auf andere Technologien setzen. Im zweiten Schritt gehen wir der Frage nach, wie können wir dieses Problem über verschiedene Schritte so umformulieren, dass es auf der eigentlichen Quantenhardware läuft. In der Regel simulieren wir dafür unsere Algorithmen zunächst auf einem herkömmlichen Computer, um überhaupt auszuprobieren, ob wir das gewünschte Ergebnis bekommen. Anschliessend überlegen wir uns, wie wir das Problem so aufbereiten können, dass wir eine Berechnung auf unserem Quantencomputer durchführen können. Dahinter steckt am Ende die Idee, Softwarelösungen zu entwickeln mit denen die Endanwender/innen "auf Knopfdruck" das entsprechende Ergebnis geliefert bekommen.
Wie ist der aktuelle Entwicklungsstand im Bereich der Software für Quantencomputer?
Die Basis ist zunächst natürlich die Hardware - ohne sie geht es nicht. Gerade hier sind in den letzten Jahren aber enorme Fortschritte gemacht worden. Quantencomputer werden in naher Zukunft für praktisch relevante Probleme geeignet sein. Entsprechend wichtig ist, dass wir nun auch mit der Entwicklung von Software nachziehen. Sonst haben wir im Zweifel mächtige Quantencomputer, aber keine Methoden sie sinnvoll zu nutzen. Der Vorteil ist, dass wir nicht "bei Null" anfangen müssen. Wir können viel aus der Softwareentwicklung für bisherige Computer aus den letzten Jahrzehnten lernen. Gleichzeitig stehen wir aber vor der Herausforderung, komplett neue Berechnungsparadigma und physikalische Grundlagen berücksichtigen zu müssen. Kurzum: Die Basis ist stark, es gibt aber noch enorm viel zu tun.
Wie stehen Deutschland und der Forschungsstandort München im internationalen Vergleich da?
In München sind wir nicht zuletzt durch die Initiative des Munich Quantum Valleys nahezu perfekt aufgestellt. Sowohl Endanwender/innen als auch Physiker/innen - die beiden Gruppen, die wir mit Software zusammen bringen müssen - sind wortwörtlich "auf der anderen Strassenseite" erreichbar. Dadurch sehen wir sofort, was gebraucht wird; aber auch, welche Softwarelösungen funktionieren und welche nicht. Diese enge interdisziplinäre Verzahnung von Top.Wissenschaftler/innen zu diesem Thema an einem Standort gibt es weltweit nur äusserst selten. Und ich bin stolz und dankbar ein Teil einer solch lebendigen und hochkarätigen Community zu sein.
Das Munich Quantum Valley (https://www.munich-quantum-valley.de/) (MQV) fördert die Quantentechnologien in Bayern mit dem Ziel, wettbewerbsfähige Quantencomputer zu entwickeln und zu betreiben.
Das Munich Quantum Valley wird aus Mitteln der Hightech Agenda Bayern (https://www.hightechagenda.de/) gefördert.
Robert Wille ist Professor für Design Automation (https://www.cda.cit.tum.de/team/wille/) und entwirft gemeinsam mit seinem Team Software Tools sowohl für neue als auch klassische Technologien.
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| Quelle:
Text Technische Universität München, 29. September 2023 |
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| Quanteninternet: "Das grösste Problem ist Datenverlust" |
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| Interview mit Quantenphysiker Prof. Andreas Reiserer |
Weltweit arbeiten Forschende an einem Netzwerk, das Quantencomputer über lange Distanzen miteinander verbinden könnte. Andreas Reiserer, Professor für Quantennetzwerke an der Technischen Universität München (TUM), erklärt, welche Schwierigkeiten dabei überwunden werden müssen und wie in Kristallen gefangene Atome dabei helfen.
Herr Professor Reiserer, was ist das Quanteninternet und wie unterscheidet es sich von dem Internet, wie wir es kennen?
Die Idee ist die gleiche: Mit dem Internet vernetzen wir Computer miteinander, mithilfe des Quanteninternets können Quantencomputer miteinander kommunizieren. Technisch ist das Quanteninternet aber sehr viel komplexer. Daher konnte man bisher nur kleine Netzwerke realisieren.
Wozu brauchen wir ein Quantennetzwerk?
Es gibt zunächst zwei Hauptanwendungen: Erstens die Vernetzung von Quantencomputern, um deren Rechenleistung zu erhöhen und zweitens eine absolut abhörsichere Verschlüsselung der Kommunikation.
Es sind aber auch noch andere Anwendungen möglich: Zum Beispiel die Vernetzung von Teleskopen, um damit eine bisher nicht erreichte Auflösung zu ermöglichen und so in die Tiefen des Universums blicken zu können.
Oder die Möglichkeit, Atomuhren weltweit extrem genau zu synchronisieren, was es erlaubt, völlig neue physikalische Fragestellungen zu untersuchen.
Wie werden Informationen zwischen Quantencomputern ausgetauscht?
Genau wie grösstenteils auch beim klassischen Internet: durch Lichtteilchen. Diese sogenannten Photonen werden durch Glasfaserkabel geschickt. Beim klassischen Internet verwendet man sehr starke Signale, also Lichtimpulse, die aus Milliarden Photonen bestehen. Die Information wird hier durch einen binären Code übertragen: Licht an oder Licht aus, ähnlich wie bei Morsezeichen.
Das ist beim Quanteninternet anders: Zwar gibt es hier auch einen binären Code. Aber die Information wird nicht durch Lichtimpulse mit vielen Teilchen, sondern durch einzelne Photonen übertragen. Dadurch können auch quantenmechanische Zustände übertragen werden, die extrem grosse Informationsmengen beinhalten.
Warum ist der Aufbau eines Quanteninternets so viel schwieriger?
Auf dem Weg durch das Glasfaserkabel gehen Lichtteilchen verloren. Bei einem normalen Netzwerk können Signale durch Repeater einfach verstärkt werden, indem den Lichtimpulsen wieder mehr Lichtteilchen hinzugefügt werden.
Aber wenn beim Quanteninternet ein einzelnes Lichtteilchen verloren geht, ist damit auch die gesamte übertragene Information unwiederbringlich zerstört. Dieser Verlust ist das grösste Problem für den Aufbau eines funktionierenden Netzwerks. Lösen liesse es sich durch Quanten-Repeater, an deren Realisierung meine Arbeitsgruppe forscht.
Welche Herausforderungen müssen Sie dabei überwinden?
Über kurze Distanz funktioniert die Übertragung bereits sehr gut. Allerdings nehmen die Verluste exponentiell mit der Länge zu. Um Quanten-Repeater zu bauen, teilt man daher die Gesamtstrecke in viele kleine Teilabschnitte. Zwischenspeicher, also kleine Quantencomputer, speichern den Quantenzustand nach jeder Teilstrecke so lang, bis ein Photon über die nächste Teilstrecke übertragen werden konnte. Durch sogenannte Quantenteleportation kann man dann die Information dem übertragenen Photon gewissermassen nachträglich ";hinterherschicken";. Dazu benötigt man aber effiziente kleine Quantencomputer, die wir gerade entwickeln.
Wie kann man sich diese kleinen Quantencomputer vorstellen?
Die bisher besten untersuchten Systeme verwenden einzelne Atome, die im Vakuum mit Laserlicht gefangen und auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt werden. Dieser Ansatz erfordert aber ein ganzes Labor mit optischen Komponenten. Daher ist es schwierig, diesen Ansatz im kleinen Massstab umzusetzen. Wir verwenden stattdessen Silizium-Kristalle, in die einzelne Atome eingebracht und damit sozusagen im Kristall eingesperrt werden. Die Erbium-Atome, die wir nutzen, behalten ihre quantenmechanischen Eigenschaften unter diesen Bedingungen. Der Aufbau benötigt auch tiefe Temperaturen, ist aber technisch sehr viel einfacher. Wir konnten zeigen, dass dieses System im Prinzip funktioniert und dass die Erbium-Atome, wenn sie angeregt werden, Lichtteilchen erzeugen, die für den Transport von Quanteninformationen geeignet sind. Ein grosser Vorteil ist dabei, dass wir auf einen Silizium-Chip Tausende oder gar Millionen dieser Strukturen aufbringen können.
Warum ist das wichtig?
Durch die nötige Zwischenspeicherung in den Repeatern würde es sehr lange dauern, Informationen von einem Ort zum anderen zu transportieren. Um eine höhere Rate zu erreichen, verwendet man daher das sogenannte Multiplexing. Das heisst, das Verfahren wird möglichst oft parallel durchgeführt. Mit unserer Technik wird dies möglich, und wir arbeiten bereits an der Umsetzung.
Werden wir das Quanteninternet in Zukunft alle nutzen?
Es ist vielleicht ähnlich wie beim klassischen Internet. Am Anfang hat sich wohl kaum jemand vorstellen können, dass heute jeder den Zugang zum Internet in der Hosentasche trägt und seinen Standort mit Satelliten bestimmt und übers Internet navigiert.
Beim Quanteninternet sind wir noch in einem sehr frühen Stadium, wo wir Grundlagenforschung betreiben und uns anschauen: Können wir diese Systeme verbinden? Gelingt es uns, Quantenzustände über die Welt zu verteilen? Die heute bekannten Möglichkeiten solcher Systeme wären in manchen Bereichen bereits revolutionär, und ich bin mir sicher, dass es sehr viele Anwendungen geben wird, an die heute noch keiner denkt.
Publikationen
Andreas Gritsch, Lorenz Weiss, Johannes Früh, Stephan Rinner, and Andreas Reiserer, ";Narrow Optical Transitions in Erbium-Implanted Silicon Waveguides";, Phys. Rev. X 12, 041009
https://journals.aps.org/prx/abstract/
10.1103/PhysRevX.12.041009
Andreas Gritsch, Alexander Ulanowski, and Andreas Reiserer, ";Purcell enhancement of single.photon emitters in silicon,"Optica 10, 783-789 (2023)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.486167
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| Quelle:
Text Technische Universität München, 17. November 2023 |
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Energie elektromag-
netische Strahlung |
Elektromagnetische Strahlung wird in kleinen Energiebündeln (Quanten), den so genannten Photonen, ausgesendet. Das Verhältnis zwischen der Frequenz f eines Photons und dessen Energie E wird als E = h ∙ f beschrieben. Dabei steht h für das Plancksche Wirkungsquantum, einer Naturkonstante, benannt nach Max Planck, einem Mitbegründer der Quantentheorie.
Alle Quanten blauen Lichts mit der Wellenlänge 470 nm (Nanometer, d. h. ein Milliardstelmeter) haben die genau gleiche Menge an Energie. Photonen roten Lichts mit der Wellenlänge 700 nm sind dagegen energieärmer.
Funkwellen und die Mikrowellen des Handynetzes haben sehr niedrige Frequenzen und sind damit sehr energiearm. Bei höheren Frequenzen wie ultraviolettem Licht (UV-Licht) trägt jedes Photon wesentlich mehr Energie.
Die energiereichsten Photonen sind die der Gammastrahlung. Eine Quelle für diese Strahlungsart sind Gammablitze. Sie gehören zu den stärksten Ausbrüchen elektromagnetischer Strahlung im Weltall und produzieren das hellste Licht, das im Universum bisher entdeckt wurde.
Ab dem hochfrequenten UV-Licht (beispielsweise also bei Röntgen- sowie Gammastrahlen) sind Photonen so energiereich, dass sie Elektronen aus Atomen "herausschlagen" können.
Quelle: ESA, Strahlungen |
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| Quanten |
Quanten sind die kleinsten Energiemengen (= Energiequanten) in einem physikalischen Wellenvorgang (z. Bsp.elektromagnetische Strahlung, Schallwellen in Festkörpern usw.). Der Wellevorgang wird durch die Frequenz ν und den Wellenvektor k bestimmt. Die Energiequanten werden durch die Formel E = h ∙ f (= ν) berechnet, wobei ν für die Frequenz und h für das Plancksche Wirkungsquantum steht.
Quanten sind die kleinsten und unteilbaren Einheiten, die physikalische Wechselwirkungen hervorrufen. Auch Photonen, also Lichtteilchen, sind demnach winzige Quantenobjekte. |
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Quanten-
computer |
Quantencomputer können im Vergleich zu klassischen Computern komplexe Problemstellungen parallel und somit schneller lösen.
Quantencomputer kennen nicht nur den Zustand 0 und 1, sondern können durch sogenannte Qubits (Quantenbits) - analog zu Bits klassischer Rechner - mehrere Zustände zwischen 0 und 1 repräsentieren und dadurch viele mögliche Ergebnisse gleichzeitig berechnen. Qubits sind jedoch anfällig für Fehler, etwa durch äussere Einflüsse wie Temperaturschwankungen oder elektromagnetische Strahlung.
Quelle: ZHAW, Quantencomputer |
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| Quanten-computer / Quantenbits |
Quantencomputing ist ein Konzept, das im Vergleich zu klassischen Computern eine exponentiell grössere Rechenpower verspricht. Ein Quantencomputer besteht aus Quantenbits, die einzeln angesteuert und miteinander gekoppelt werden müssen. Quantenbits (Qubits) können gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren (Superposition) und miteinander verschränkt sein. Das ermöglicht extrem schnelle Berechnungen für komplexe Probleme.
Quelle: DSI, Universiät Zürich |
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| Quanten-mechanik |
Die Quantenmechanik beschreibt ganz neu, was Materie ist und wie sie mit Naturkräften wechselwirkt. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass Quantenobjekte – also etwa Elektronen oder Photonen – je nachdem, wie sie gemessen werden, sowohl als Wellen als auch als Teilchen interpretiert werden können. Erwin Schrödinger ist es mit seiner Gleichung in den 1920er-Jahren gelungen, diesen so genannten Wellen-Teilchen-Dualismus mathematisch anschaulich zu beschreiben.
Quelle: DSI, Universiät Zürich |
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Quanten-
schlüssel / Quanten-
schlüssel -
austausch |
Die Kommunikation mithilfe von Quanten verspricht ein völlig neues Mass an Sicherheit. Im Gegenzug zu konventionellen Kryptografie-Verfahren basiert die Quantenkryptografie auf physikalischen Prinzipien. Die technologische Grundlage dafür ist der sogenannte Quantenschlüsselaustausch, auf Englisch «Quantum Key Distribution», kurz: QKD.
Die QKD ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Zufallsschlüsseln zwischen legitimen Nutzern, indem sie besondere Sicherheit auf der Grundlage der Gesetze der Quantenmechanik und nicht auf der Rechenleistung eines Gegners garantiert.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF |
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| Quanten-sprung |
Hält man ein schwingendes Pendel auf einer bestimmten Höhe fest, dann hat es hat es potenzielle Energie. Gemäss der klassischen Physik kann diese Energie stufenlos beliebige Werte annehmen. Gemäss der Quantenmechanik gibt es jedoch Abstufungen, sodass nicht jeder Energiewert eingestellt werden kann. Diese diskreten Werte sind die Quanten. Der Begriff des Quantensprungs benennt den Sprung von einem Energieniveau auf ein anderes. Die Energieunterschiede im Atom sind zwar klein, die Niveaus aber kategorisch unterscheidbar. Aus diesem zweiten Grund steht der Quantensprung umgangssprachlich für eine klare Verände
Quelle: DSI, Universiät Zürich |
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Quanten-
verschrän-
kung |
Das Phänomen der Quantenverschränkung ermöglicht es, dass man etwa Photonen oder Atome über grosse Distanzen hinweg miteinander in ein und denselben Zustand bringen kann. Das ist heute über 1000 Kilometer möglich - beispielsweise von einem Satelliten zur Erde - und eröffnet ganz neue technologische Perspektiven wie zum Beispiel abhörsichere Kommunikation in einem zukünftigen Quanten-Internet.
Quelle: DSI, Universiät Zürich |
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Super-
position |
Zustände die gewissermassen 0 und 1 gleichzeitig repräsentieren.
Der Quantencomputer rechnet nicht mit den binären Zuständen einer Null oder einer Eins, wie
ein klassischer Computer, sondern mit beiden Möglichkeiten "gleichzeitig". |
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