Quantengatter erklärt

Eigene Logik

Dr. Florian Neukart

Wer mit Qubits rechnen will, kommt um etwas Mathematik nicht herum. Auch die Annahmen der klassischen Programmierung gelten hier nur bedingt.

iX-tract

Bei Qubits gelten nicht Einsen und Nullen, sondern Basiszustände, Wahrscheinlichkeiten und das Prinzip der Superposition.
Qubits lassen sich nicht nur ausführlich als Vektoren, sondern auch in der eleganteren Bra-Ket-Notation darstellen.
Zum Programmieren universeller Quantengattercomputer wendet man definierte Logikgatter auf die Qubits an.
Quantengatter definieren, wie zwischen den Zuständen von Qubits gewechselt wird. Dabei darf keine Information verloren gehen, ihre Anwendung muss umkehrbar sein.
Quantengatter beschreibt man als Matrizen, also als lineare Transformationen von Vektoren. Sie müssen immer quadratisch sein.
Wer Quantengattercomputer programmieren will, sollte nicht nur gegebene Gatter nutzen, sondern sie auch selbst definieren können.

Quantencomputer sind ähnlich den Grafikchips als Coprozessoren zu sehen und werden klassische Computer nicht ersetzen, sondern ergänzen. Trotzdem gibt es viele potenzielle Anwendungsfelder, und die Hoffnungen sind groß: Profitieren könnten zeitkritische Optimierungsprobleme, vor denen etwa Navigations- und Verkehrsleitsysteme stehen, ebenso die KI, Materialforschung und Medizin: Die Simulation von Molekülen und Proteinen fällt klassischen Computern schwer, unter anderem weil hier quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen. Quantencomputer setzen genau solche Effekte zur Berechnung ein – und können sie nutzen. Dadurch eignen sie sich ungleich besser zum Simulieren solcher Systeme.

Zwei Arten von Quantencomputern sind momentan verbreitet: Quanten-Annealing-Maschinen, die auf Optimierungsaufgaben spezialisiert sind, und universelle Quantengattercomputer, die beliebige Berechnungen ausführen können. In beiden Fällen unterscheidet sich die Programmierung grundlegend von derjenigen klassischer Computer: Damit quantenphysikalische Effekte in die Berechnungen einfließen können, muss sich ein Quantencomputer schon in seinen fundamentalen Bauteilen von klassischen Rechnern unterscheiden. Annahmen und Erfahrungen aus deren Programmierung sollte man deshalb beiseitelegen.