Quantencomputing Geheimsprache: 49 Begriffe leicht erklärt

Quantencomputing Geheimsprache: 49 Begriffe leicht erklärt

Quantencomputer versteht fast keiner. Zu abgehoben, zu ungewöhnlich, zu trechnisch ist, was da passiert – oder noch passieren soll. Vielleicht die Zukunft, womöglich ein Irrweg, das wird sich erweisen. Hier werden wir einen Blick auf das Vokabular. Bringen wir ein wenig Licht in die rätselhafte Welt der Quantencomputer.

Die Liste bietet einen über die wichtigsten Konzepte und Anwendungen im Bereich Quantencomputing und Quantentechnologie. Sie hat einen gewissen Hang zum Thema KI. Die Einträge sind nach dem Alphabet sortiert.

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Begriffe rund ums Quantencomputing erklärt

Adiabatisches Quantencomputing
Adiabatisches Quantencomputing nutzt die langsame Evolution eines Quantensystems von einem einfachen Grundzustand zu einem gewünschten Zustand, der die Lösung eines Problems repräsentiert. Dieser Prozess bleibt während der Evolution im niedrigstmöglichen Energiezustand, was das Risiko von Fehlern reduziert.

Dekohärenz
Dekohärenz beschreibt den Verlust von Quantenkohärenz, bei dem Quantensysteme durch Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung ihre überlagernden und verschränkenden Eigenschaften verlieren. Dies stellt eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung zuverlässiger Quantencomputer dar.

Hybride Quantenalgorithmen
Hybride Quantenalgorithmen verbinden klassische und Quantencomputing-Techniken. Dabei werden spezielle Quantenberechnungen durchgeführt, die durch klassische Algorithmen ergänzt werden, um Effizienz und Skalierbarkeit zu verbessern.

Ionen-Quantencomputer
Ein Ionen-Quantencomputer nutzt geladene Atome (Ionen), die durch elektromagnetische Felder in einem Vakuum schwebend gehalten werden, als Quantenbits (Qubits). Durch gezielte Laserstrahlen werden die Quantenzustände der Ionen manipuliert, um Berechnungen durchzuführen. Dies ermöglicht extrem präzise Steuerung und lange Kohärenzzeiten der Qubits.

Ionenfalle (Penningfalle)
Eine Ionenfalle ist ein Gerät, das starke elektrische oder magnetische Felder verwendet, um geladene Teilchen wie Ionen in einem kleinen Bereich zu isolieren und stabil zu halten. Sie wird in der Quanteninformatik verwendet, um die Ionen für die Bearbeitung und Speicherung von Informationen in Quantencomputern zu kontrollieren.

Numerische Techniken
Numerische Techniken sind mathematische Methoden zur näherungsweisen Lösung wissenschaftlicher Probleme, die analytisch nicht lösbar sind. Sie sind wesentlich für Ingenieurwissenschaften, Physik und andere angewandte Wissenschaften.

Post-Quanten-Kryptographie
Post-Quanten-Kryptographie entwickelt Verschlüsselungsmethoden, die auch in der Ära der Quantencomputer sicher bleiben. Sie nutzt mathematische Probleme, die selbst für Quantencomputer schwer lösbar sind, um Daten gegen zukünftige Angriffe zu schützen.

Quanten-Internet
Das Quanten-Internet ist eine Vision für ein zukünftiges Netzwerk, das auf Quantenverschränkung basiert und extrem sichere Kommunikationsmethoden ermöglicht. Es würde es erlauben, Informationen über große Entfernungen hinweg abhörsicher zu übertragen.

Quantenaddierer
Ein Quantenaddierer ist ein Gerät, das die Addition zweier Zahlen unter Ausnutzung von Quantenmechanik durchführt. Es nutzt die Überlagerung und andere Quanteneffekte, um Berechnungen durchzuführen, die über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen.

Quantenalgorithmen
Quantenalgorithmen nutzen die einzigartigen Eigenschaften von Quantencomputern wie Überlagerung und Verschränkung, um Probleme schneller zu lösen als klassische Algorithmen. Sie bieten revolutionäre Ansätze für komplexe Berechnungen in Kryptographie, Optimierung und Simulation.

  • Grover-Algorithmus
    Der Grover-Algorithmus ist ein Quantenalgorithmus, der die Suche in unsortierten Datenbanken beschleunigt. Er ermöglicht es, die gesuchte Information in quadratisch weniger Schritten zu finden als mit jedem klassischen Algorithmus möglich wäre.
  • Shor-Algorithmus
    Der Shor-Algorithmus kann große Zahlen effizient faktorisieren und bedroht damit die Sicherheit der meisten aktuellen kryptografischen Systeme, die auf dem Faktorisierungsproblem basieren. Er ist einer der bekanntesten Quantenalgorithmen.
  • Quantenphasenabschätzung (Quantum Phase Estimation)
    Dieser Quantenalgorithmus dient dazu, die Phase eines Eigenzustands eines unitären Operators zu schätzen. Er ist entscheidend für viele weitere Quantenalgorithmen, einschließlich des Shor-Algorithmus, und hat Anwendungen in der Quantenchemie.

Quantenannealing
Quantenannealing nutzt Quantenfluktuationen, um globale Minima in Optimierungsproblemen zu finden. Es ist besonders nützlich in der Materialwissenschaft und bei komplexen Optimierungsaufgaben, wo klassische Algorithmen in lokalen Minima stecken bleiben könnten.

Quantencomputer
Ein Quantencomputer verwendet Quantenbits oder Qubits, um Daten zu verarbeiten. Durch Phänomene wie Überlagerung und Verschränkung können Quantencomputer Probleme lösen, die für klassische Computer praktisch unlösbar sind.

Quantenfehlerkorrektur
Quantenfehlerkorrektur ist entscheidend, um Quantencomputer praktikabel zu machen, da sie die Auswirkungen von Fehlern und Dekohärenz minimiert. Diese Techniken sind komplex, da sie die Korrektur von Fehlern ohne Messung des Quantenzustands ermöglichen müssen.

Quantenfouriertransformation (QFT)
Die Quantenfouriertransformation ist eine quantenmechanische Version der klassischen Fouriertransformation und spielt eine zentrale Rolle in vielen Quantenalgorithmen. Sie ist besonders effizient in der Analyse periodischer Phänomene.

Quantengate
Quantengates sind die Grundbausteine für Quantenschaltungen und wirken wie logische Operationen auf Qubits. Sie sind analog zu den Logikgates in klassischen Computern, aber können komplexe Transformationen in hochdimensionalen Räumen durchführen.

Quantenhardware
Quantenhardware umfasst alle physischen Komponenten eines Quantencomputers, einschließlich der Qubits selbst sowie der Systeme für deren Steuerung und Messung. Ihre Entwicklung stellt eine große technische Herausforderung dar.

Quantenkontrolle
Techniken und Methoden, mit denen die Quantenzustände von Teilchen, wie etwa Elektronen, Photonen oder Ionen, gezielt manipuliert werden. Diese Kontrolle ist entscheidend für die Entwicklung und das Funktionieren von Quantencomputern, da sie es ermöglicht, die Zustände von Qubits präzise zu steuern, um Quantenberechnungen durchzuführen.

Ionenfallen-Qubits
Ionenfallen-Qubits sind eine Art von Qubits, bei denen einzelne geladene Atome (Ionen) durch elektromagnetische Felder in einer Falle gehalten werden. Diese Technologie ermöglicht sehr präzise Quantenmanipulationen und ist führend in der Skalierung von Qubits.

Photonische Qubits
Photonische Qubits verwenden Lichtteilchen (Photonen) zur Darstellung von Quanteninformationen. Diese Qubits eignen sich besonders für Quantenkommunikation über lange Strecken, da sie durch optische Fasern übertragen werden können.

Supraleitende Qubits
Supraleitende Qubits nutzen die Eigenschaften von supraleitenden Materialien, um Quantenzustände zu erzeugen und zu manipulieren. Sie sind in modernen Quantencomputern weit verbreitet, weil sie relativ leicht zu produzieren und zu kontrollieren sind.

Quantenkommunikation
Quantenkommunikation nutzt Quantenphänomene wie die Verschränkung, um Informationen über große Entfernungen sicher zu übertragen. Sie bietet einen theoretisch abhörsicheren Kommunikationsweg.

Quantenkryptographie
Quantenkryptographie verwendet Prinzipien der Quantenmechanik, um die Sicherheit der Datenübertragung zu gewährleisten. Prominente Beispiele sind Quantenschlüsselverteilungssysteme, die es ermöglichen, Schlüssel sicher auszutauschen.

Quantenneuronale Netze (QNN)
Quantenneuronale Netze sind eine neuartige Klasse von maschinellen Lernalgorithmen, die auf Quantencomputern implementiert werden. Sie versprechen, bestimmte Arten von Problemen effizienter zu lösen als klassische neuronale Netze.

Quantenparallelismus
Quantenparallelismus bezieht sich auf die Fähigkeit eines Quantencomputers, viele Rechenoperationen gleichzeitig durchzuführen. Dieser Parallelismus ergibt sich aus der Überlagerung von Quantenzuständen und ermöglicht enorm beschleunigte Berechnungen.

Quantenschaltkreis
Ein Quantenschaltkreis ist eine Anordnung von Quantengates und Qubits, die speziell zur Ausführung von Quantenalgorithmen konzipiert ist. Er ist das Quantenäquivalent zu einem klassischen Schaltkreis.

Quantensensoren
Quantensensoren nutzen Quanteneffekte, um Messungen mit außergewöhnlicher Präzision durchzuführen. Sie können für Anwendungen wie präzise Zeitmessung und Erkennung von Gravitationsfeldern eingesetzt werden.

Quantensensorik und -metrologie
Quantensensorik und -metrologie befassen sich mit der Anwendung von Quantentechnologien zur Verbesserung von Messverfahren. Sie nutzen die außergewöhnliche Empfindlichkeit von Quantensystemen, um extrem feine physikalische Größen zu erfassen.

Quantensimulation
Quantensimulation ist das Nachbilden von physikalischen Systemen auf einem Quantencomputer, um deren Verhalten zu studieren. Dies ist besonders nützlich für Systeme, deren Komplexität klassische Rechner überfordert.

Quantensoftware
Quantensoftware umfasst Programme und Anwendungen, die speziell für die Nutzung auf Quantencomputern entwickelt werden. Sie beinhaltet Algorithmen, Anwendungen und Tools zur Optimierung von Quantenschaltkreisen.

Quantencompiler
Ein Quantencompiler übersetzt hochlevel Quantenprogramme in eine Form, die von einem spezifischen Quantencomputer ausgeführt werden kann. Er optimiert dabei die Anordnung der Quantengates und minimiert Fehler.

Quantenprogrammiersprachen (z.B. Qiskit, Q#, Cirq)
Quantenprogrammiersprachen sind spezialisierte Programmiersprachen, die zur Entwicklung von Software für Quantencomputer verwendet werden. Qiskit (IBM), Q# (Microsoft) und Cirq (Google) sind Beispiele, die das Design, die Simulation und das Testen von Quantenalgorithmen ermöglichen.

Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy)
Quantenüberlegenheit bezeichnet den Punkt, an dem ein Quantencomputer Aufgaben lösen kann, die für klassische Computer praktisch unlösbar sind. Dieser Meilenstein demonstriert die überlegene Rechenkraft von Quantencomputern für spezifische Probleme.

Quantenunterstützte maschinelle Lernverfahren
Bei quantenunterstützten maschinellen Lernverfahren werden Quantencomputer eingesetzt, um die Effizienz und Geschwindigkeit von Lernalgorithmen zu verbessern. Diese Methoden versprechen, besonders bei großen und komplexen Datensätzen Vorteile zu bieten.

Quantenunterstütztes Training
Quantenunterstütztes Training bezieht sich auf den Einsatz von Quantencomputern zur Beschleunigung der Trainingsphasen in maschinellen Lernmodellen. Die Quantentechnologie kann hierbei helfen, die Optimierung von Modellparametern effizienter zu gestalten.

Quantenunterstützte Inferenz
Quantenunterstützte Inferenz verwendet Quantencomputer, um die Ausführung von Inferenzoperationen in maschinellen Lernmodellen zu beschleunigen. Dies kann zu schnelleren und möglicherweise präziseren Vorhersagen führen.

Quantenvorteil (Quantum Advantage)
Quantenvorteil beschreibt die überlegene Leistung eines Quantencomputers gegenüber einem klassischen Computer bei bestimmten realen Anwendungen, nicht nur in theoretischen oder isolierten Szenarien.

Quantenzufallszahlengeneratoren (QRNG)
Quantenzufallszahlengeneratoren nutzen fundamentale Quantenphänomene, um echte Zufallszahlen zu erzeugen, die in der Kryptographie und anderen Anwendungen verwendet werden können.

Quantenzustand
Ein Quantenzustand beschreibt den Zustand eines Quantensystems, repräsentiert durch die Wellenfunktion, die alle Informationen über das System enthält. Veränderungen im Quantenzustand folgen den Gesetzen der Quantenmechanik.

Quantenzustandstomographie
Quantenzustandstomographie ist ein Verfahren zur Bestimmung des unbekannten Zustands eines Quantensystems. Es erfordert mehrere Messungen unter verschiedenen Bedingungen, um eine vollständige Beschreibung des Zustands zu erhalten.

Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA)
QAOA ist ein spezifischer variationeller Quantenalgorithmus, der entwickelt wurde, um Optimierungsprobleme zu lösen. Er verwendet eine Sequenz von Quantengates, die schrittweise angepasst werden, um eine Lösung zu finden.

Quantum Simulations
Quantensimulationen sind die Nachbildungen von Quantensystemen auf einem Quantencomputer, um das Verhalten und die Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, was mit klassischen Computern oft nicht möglich ist.

Qubit
Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit in einem Quantencomputer, analog zum Bit in klassischen Computern. Qubits können durch Quantenzustände wie Superposition und Verschränkung komplexe Berechnungen ermöglichen.

Superposition
Superposition ist ein fundamentales Prinzip der Quantenmechanik, bei dem ein Quantensystem gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren kann. Dieses Prinzip ermöglicht die Parallelverarbeitung in Quantencomputern.

Variationelle Quantenalgorithmen (VQA)
Variationelle Quantenalgorithmen sind eine Klasse von Algorithmen, die Quanten- und klassische Berechnungen kombinieren, um Optimierungs- und andere komplexe Probleme zu lösen. Sie sind anpassungsfähig und können auf Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Computern eingesetzt werden.

Variational Quantum Eigensolver (VQE)
Der VQE ist ein Algorithmus, der darauf abzielt, die Eigenwerte und Eigenzustände eines Hamilton-Operators zu bestimmen. Dies ist besonders nützlich in der Quantenchemie, um die Grundzustandsenergie von Molekülen zu berechnen.

Verschränkung (Entanglement)
Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem Quantenpartikel so miteinander verbunden sind, dass der Zustand eines Partikels sofort den Zustand des anderen bestimmen kann, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.

Viel-Qubit-System
Ein Viel-Qubit-System bezieht sich auf einen Quantencomputer, der eine große Anzahl von Qubits verwendet. Die Skalierung ist entscheidend für die Erreichung praktischer Quantenüberlegenheit und für das Lösen realweltlicher Probleme.

Siehe auch: Physik für Fortgeschrittene: 49 Stringtheorie-Begriffe einfach erklärt

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Der Autor

Sven Lennartz AvatarSven Edmund Lennartz ist Fachautor, Schriftsteller und Gründer verschiedener Online-Unternehmen, wie Dr. Web (Webdesign), Conterest (Bloggen), Sternenvogelreisen (Sprache) und Smashing Magazine (Webdesign & Entwicklung). Homepage

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