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Interferenz in der Quanteninformatik
Wenn es um Quantencomputer geht, wird die Interferenz nicht immer erwähnt. An erster Stelle stehen quantenmechanische Effekte wie Quantenüberlagerung, Verschränkung und Tunnelbau. Vielleicht liegt das daran, dass Interferenz auch ein klassisches Phänomen ist, das makroskopisch beobachtet werden kann. Sie lässt sich beispielsweise beobachten, wenn zwei Steine in ein Gewässer geworfen werden und sich die Wellenberge gegenseitig aufheben, oder wenn jemand einen Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung aufsetzt. Dennoch ist die Interferenz für jeden Quantencomputer eine grundlegende Eigenschaft der Berechnung.
Was versteht man unter Quanteninterferenz?
Es gibt zwei Arten von Quanteninterferenz: konstruktive Interferenz und destruktive Interferenz. Zwei gleichphasige Wellen, d. h. sie erreichen ihren Höhepunkt zur gleichen Zeit, interferieren konstruktiv, und die resultierende Welle erreicht den doppelten Spitzenwert. Zwei Wellen, die nicht gleichphasig sind, haben dagegen entgegengesetzte Spitzenwerte und interferieren destruktiv; die resultierende Welle ist völlig flach. Alle anderen Phasenunterschiede führen zu Ergebnissen, die irgendwo dazwischen liegen, entweder mit einer höheren Spitze für konstruktive Interferenz oder einer niedrigeren Spitze für destruktive Interferenz.
Was verursacht Quanteninterferenz?
Die Ursache der Quanteninterferenz ist der Welle-Teilchen-Dualismus. Im subatomaren Bereich haben die Teilchen wellenartige Eigenschaften. Diese wellenartigen Eigenschaften werden häufig dem Ort zugeschrieben, an dem sich ein Elektron beispielsweise um einen Atomkern befindet. Aus diesem Grund werden Elektronenorbitale als Wahrscheinlichkeitswolken dargestellt und nicht als Bahnen wie Planeten um die Sonne. Diese Unbestimmtheit der Orte gilt jedoch auch für Energieniveaus und dafür, in welchem Orbital sich ein Elektron befinden könnte.
Was ist Quanteninterferenz in der Quanteninformatik?
In der Quanteninformatik wird die Interferenz zur Beeinflussung von Wahrscheinlichkeitsamplituden genutzt. Mit anderen Worten: Jedes mögliche Ergebnis hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es eintritt. Wenn nur ein Qubit für die Berechnung verwendet wird, sind die möglichen Ergebnisse nur 0 und 1. Wenn zwei Qubits verwendet werden, verdoppelt sich die Anzahl der möglichen Ergebnisse; diese möglichen Ergebnisse sind 00, 01, 10 und 11. Bei der Verwendung von drei Qubits verdoppelt sich die Zahl der möglichen Ergebnisse nochmals auf 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111. Dieses exponentielle Wachstum ist einer der Faktoren, die dazu beitragen, dass Quantencomputer in der Lage sind, bestimmte Berechnungen durchzuführen, die selbst für die leistungsstärksten Supercomputer der Welt als unmöglich gelten.
Für jedes mögliche Ergebnis kann die jeweilige Wahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1 liegen. Mathematisch gesehen muss die Summe aller Wahrscheinlichkeiten aller möglichen Ergebnisse genau 1 ergeben, was 100 % aller möglichen Ergebnisse entspricht. Um auf die Ursachen der Quanteninterferenz zurückzukommen: Bei jedem Ergebnis werden die Energieniveaus der Qubits gemessen. Befindet sich jedes Qubit auf seinem Grundzustands-Energieniveau, das numerisch durch 0 dargestellt wird, oder befindet es sich auf seinem ersten Energieniveau, das numerisch durch 1 dargestellt wird? Da die sich daraus ergebende binäre Zeichenkette die gesuchte Lösung ist, z. B. 101, nutzt die Quanteninformatik die Interferenz, um zu dieser Lösung zu gelangen.
Wie wird die Interferenz beim Quantencomputing genutzt?
Das berühmteste Beispiel für den Einsatz von Interferenzen in der Quanteninformatik ist der Grover-Algorithmus, mit dem nach Werten oder Elementen gesucht wird, die bestimmte Kriterien erfüllen. Dieser Lehrbuchalgorithmus besteht aus mehreren Komponenten, darunter die Zustandsvorbereitung, ein Orakel, ein Diffusionsoperator und die Messung. Im Zusammenhang mit der Quanteninterferenz ist jedoch vor allem die Diskussion des Diffusionsoperators von Bedeutung.
Der Grover-Diffusionsoperator arbeitet in Verbindung mit dem problemdefinierenden Orakel. Er nutzt beide Arten der Quanteninterferenz, die konstruktive Interferenz und die destruktive Interferenz. Er verwendet konstruktive Interferenz, um die richtige(n) Lösung(en) des Problems zu verstärken, und er verwendet destruktive Interferenz, um alle anderen möglichen Ergebnisse zu minimieren. Der Algorithmus von Grover erfordert in der Regel mehrere Iterationen des Orakels und des Diffusionsoperators. Mit jeder Iteration, bis zu einer optimalen Anzahl, wird die richtige Lösung (oder werden die richtigen Lösungen) verstärkt, während falsche Lösungen minimiert werden. Wenn die Quantenschaltung gemessen wird, ist die richtige Lösung (oder sind die richtigen Lösungen) hoffentlich offensichtlich.
Die von den Classiq-Softwareplattformen erstellten Algorithmen nutzen die Quanteninterferenz in großem Umfang. Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um zu erfahren, wie sie Ihnen auf Ihrer Quantenreise helfen können.
Wenn es um Quantencomputer geht, wird die Interferenz nicht immer erwähnt. An erster Stelle stehen quantenmechanische Effekte wie Quantenüberlagerung, Verschränkung und Tunnelbau. Vielleicht liegt das daran, dass Interferenz auch ein klassisches Phänomen ist, das makroskopisch beobachtet werden kann. Sie lässt sich beispielsweise beobachten, wenn zwei Steine in ein Gewässer geworfen werden und sich die Wellenberge gegenseitig aufheben, oder wenn jemand einen Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung aufsetzt. Dennoch ist die Interferenz für jeden Quantencomputer eine grundlegende Eigenschaft der Berechnung.
Was versteht man unter Quanteninterferenz?
Es gibt zwei Arten von Quanteninterferenz: konstruktive Interferenz und destruktive Interferenz. Zwei gleichphasige Wellen, d. h. sie erreichen ihren Höhepunkt zur gleichen Zeit, interferieren konstruktiv, und die resultierende Welle erreicht den doppelten Spitzenwert. Zwei Wellen, die nicht gleichphasig sind, haben dagegen entgegengesetzte Spitzenwerte und interferieren destruktiv; die resultierende Welle ist völlig flach. Alle anderen Phasenunterschiede führen zu Ergebnissen, die irgendwo dazwischen liegen, entweder mit einer höheren Spitze für konstruktive Interferenz oder einer niedrigeren Spitze für destruktive Interferenz.
Was verursacht Quanteninterferenz?
Die Ursache der Quanteninterferenz ist der Welle-Teilchen-Dualismus. Im subatomaren Bereich haben die Teilchen wellenartige Eigenschaften. Diese wellenartigen Eigenschaften werden häufig dem Ort zugeschrieben, an dem sich ein Elektron beispielsweise um einen Atomkern befindet. Aus diesem Grund werden Elektronenorbitale als Wahrscheinlichkeitswolken dargestellt und nicht als Bahnen wie Planeten um die Sonne. Diese Unbestimmtheit der Orte gilt jedoch auch für Energieniveaus und dafür, in welchem Orbital sich ein Elektron befinden könnte.
Was ist Quanteninterferenz in der Quanteninformatik?
In der Quanteninformatik wird die Interferenz zur Beeinflussung von Wahrscheinlichkeitsamplituden genutzt. Mit anderen Worten: Jedes mögliche Ergebnis hat eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es eintritt. Wenn nur ein Qubit für die Berechnung verwendet wird, sind die möglichen Ergebnisse nur 0 und 1. Wenn zwei Qubits verwendet werden, verdoppelt sich die Anzahl der möglichen Ergebnisse; diese möglichen Ergebnisse sind 00, 01, 10 und 11. Bei der Verwendung von drei Qubits verdoppelt sich die Zahl der möglichen Ergebnisse nochmals auf 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 und 111. Dieses exponentielle Wachstum ist einer der Faktoren, die dazu beitragen, dass Quantencomputer in der Lage sind, bestimmte Berechnungen durchzuführen, die selbst für die leistungsstärksten Supercomputer der Welt als unmöglich gelten.
Für jedes mögliche Ergebnis kann die jeweilige Wahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1 liegen. Mathematisch gesehen muss die Summe aller Wahrscheinlichkeiten aller möglichen Ergebnisse genau 1 ergeben, was 100 % aller möglichen Ergebnisse entspricht. Um auf die Ursachen der Quanteninterferenz zurückzukommen: Bei jedem Ergebnis werden die Energieniveaus der Qubits gemessen. Befindet sich jedes Qubit auf seinem Grundzustands-Energieniveau, das numerisch durch 0 dargestellt wird, oder befindet es sich auf seinem ersten Energieniveau, das numerisch durch 1 dargestellt wird? Da die sich daraus ergebende binäre Zeichenkette die gesuchte Lösung ist, z. B. 101, nutzt die Quanteninformatik die Interferenz, um zu dieser Lösung zu gelangen.
Wie wird die Interferenz beim Quantencomputing genutzt?
Das berühmteste Beispiel für den Einsatz von Interferenzen in der Quanteninformatik ist der Grover-Algorithmus, mit dem nach Werten oder Elementen gesucht wird, die bestimmte Kriterien erfüllen. Dieser Lehrbuchalgorithmus besteht aus mehreren Komponenten, darunter die Zustandsvorbereitung, ein Orakel, ein Diffusionsoperator und die Messung. Im Zusammenhang mit der Quanteninterferenz ist jedoch vor allem die Diskussion des Diffusionsoperators von Bedeutung.
Der Grover-Diffusionsoperator arbeitet in Verbindung mit dem problemdefinierenden Orakel. Er nutzt beide Arten der Quanteninterferenz, die konstruktive Interferenz und die destruktive Interferenz. Er verwendet konstruktive Interferenz, um die richtige(n) Lösung(en) des Problems zu verstärken, und er verwendet destruktive Interferenz, um alle anderen möglichen Ergebnisse zu minimieren. Der Algorithmus von Grover erfordert in der Regel mehrere Iterationen des Orakels und des Diffusionsoperators. Mit jeder Iteration, bis zu einer optimalen Anzahl, wird die richtige Lösung (oder werden die richtigen Lösungen) verstärkt, während falsche Lösungen minimiert werden. Wenn die Quantenschaltung gemessen wird, ist die richtige Lösung (oder sind die richtigen Lösungen) hoffentlich offensichtlich.
Die von den Classiq-Softwareplattformen erstellten Algorithmen nutzen die Quanteninterferenz in großem Umfang. Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um zu erfahren, wie sie Ihnen auf Ihrer Quantenreise helfen können.
Über "Der Podcast des Qubit-Typen"
Der Podcast wird von The Qubit Guy (Yuval Boger, unser Chief Marketing Officer) moderiert. In ihm diskutieren Vordenker der Quanteninformatik über geschäftliche und technische Fragen, die das Ökosystem der Quanteninformatik betreffen. Unsere Gäste geben interessante Einblicke in Quantencomputer-Software und -Algorithmen, Quantencomputer-Hardware, Schlüsselanwendungen für Quantencomputer, Marktstudien der Quantenindustrie und vieles mehr.
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