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Für den größten Teil unserer Geschichte bestand menschliche Technologie,

aus unseren Gehirnen, Feuer und spitzen Stöcken.

Während aus Feuer und spitzen Stöcken Kraftwerke und nukleare Waffen wurden,

erhielten unsere Gehirne die größte Verbesserung.

Seit den 1980ern vervielfältigt sich die Rechenleistung unserer Gehirn-Maschinen exponentiell an,

was es ermöglicht hat, dass Computer immer kleiner und gleichzeitig immer leistungsfähiger werden.

Doch diese Entwicklung hat schon bald ihre physikalischen Grenzen erreicht.

Computerteile erreichen die Größe eines Atoms.

Um zu verstehen, warum dies ein Problem darstellt, müssen wir ein paar Grundlagen behandeln.

Ein Computer besteht aus sehr simplen Komponenten, die sehr simple Aufgaben erledigen:

Daten darstellen, die Möglichkeit diese zu verarbeiten und Kontrollmechanismen.

Computerchips enthalten Module, die Logikgatter enthalten, die Transistoren enthalten.

Ein Transistor ist die einfachste Form eines Datenverarbeiters in Computern,

im Grunde ein Schalter, der den Weg für Informationen entweder blockiert oder öffnet.

Diese Informationen bestehen aus Bits, die entweder 0 oder 1 sein können.

Eine Kombination von mehreren Bits wird genutzt, um komplexe Informationen darzustellen.

Transistoren werden zusammengelegt, um Logikgatter zu bilden, die immer noch sehr einfache Aufgaben erledigen.

Zum Beispiel hat ein UND-Gatter eine Ausgabe von 1, wenn alle Eingänge 1 sind und andernfalls 0.

Kombinationen von Logikgattern bilden schließlich bedeutungsvolle Module, z. B. zur Addition von zwei Zahlen.

Sobald man addieren kann, kann man auch multiplizieren, und sobald man multiplizieren kann, kann man im Grunde alles machen.

Da alle grundlegenden Berechnungen buchstäblich einfacher sind als die Mathematik der 1. Klasse,

kann man sich einen Computer als eine Gruppe von Siebenjährigen vorstellen, die wirklich einfache Matheaufgaben lösen.

Eine Gruppe, die groß genug ist, könnte alles berechnen: Von Astrophysik bis hin zu Zelda.

Jedoch mit immer kleiner werdenden Teilen macht Quantenphysik die Sache komplizierter.

Kurzgesagt: Ein Transistor ist nur ein elektronischer Schalter.

Elektrizität sind Elektronen, die sich von einer Stelle zur anderen bewegen.

Also ist ein Schalter ein Durchgang, der Elektronen davon abhalten kann, sich in eine Richtung zu bewegen.

Heutzutage beträgt die typische Größe eines Transistors 14nm,

was ungefähr acht Mal weniger als der Durchmesser des HI-Virus (HIV)

und 500 Mal kleiner als der eines roten Blutkörperchens ist.

Wenn Transistoren auf die Größe von nur ein paar Atomen schrumpfen,

könnten sich Elektronen einfach auf die andere Seite eines versperrten Weges transferieren, durch den sogenannten Tunneleffekt.

In der Quantenwelt funktioniert Physik auf eine deutlich andere Weise als wir gewohnt sind

und traditionelle Computer ergeben einfach keinen Sinn mehr.

Wir erreichen eine echte physikalische Barriere für unseren technologischen Fortschritt.

Um dieses Problem zu lösen, versuchen Wissenschaftler diese ungewöhnlichen Quanteneigenschaften zu ihrem Vorteil zu nutzen, indem sie Quantencomputer bauen.

In normalen Computern sind Bits die kleinste Einheit an Informationen.

Quantencomputer benutzen Qubits, welche ebenfalls auf einen von zwei Werten festgelegt werden können.

Ein Qubit kann jedes 2-Ebenen System sein, wie z. B. eine Drehung in einem Magnetfeld oder ein einzelnes Photon.

0 und 1 sind mögliche Werte dieses Systems, wie die horizontale oder vertikale Polarisierung eines Photons.

In der Quantenwelt muss das Qubit nicht in nur einem dieser beiden Stadien sein, sondern kann in jedem Verhältnis der beiden Positionen zur selben Zeit existieren.

Dies nennt man Superposition.

Aber sobald man seinen Status testet, indem man es z.B. durch einen Filter schickt, muss es sich entscheiden, entweder vertikal oder horizontal polarisiert zu sein.

Also: So lange es unbeobachtet ist, befindet sich das Qubit in einer Superposition mit Wahrscheinlichkeitsaussagen für 0 und 1, bei denen nicht voraussagbar ist, welche es nun werden wird.

Aber sobald man es misst, fällt es in eine der beiden definierten Stadien.

Die Superpositon ändert das Spiel.

Vier klassische Bits können jeweils in einem von zwei hoch vier, Anordnungen sein.

Das sind 16 mögliche Kombinationen, von denen man nur eine benutzen kann.

Vier Qubits in Superposition können jedoch in allen dieser 16 Kombinationen zur selben Zeit sein.

Diese Zahl steigt exponentiell mit jedem zusätzlichen Qubit.

So können 20 von ihnen bereits eine Millionen Werte parallel speichern.

Eine sehr sonderbare und nicht intuitive Eigenschaft, die Qubits haben können, ist die Verschränkung:

Eine enge Verbindung, die jedes der Qubits auf eine Veränderung im Status des anderen unverzögert reagieren lässt, egal wie weit sie von einander entfernt sind.

Das bedeutet, wenn man nur ein verschränktes Qubit misst, kann man die Eigenschaften der Partner direkt ableiten, ohne diese messen zu müssen.

Qubitmanipulation ist ebenfalls eine harte Nuss.

Ein normales Logikgatter erhält einen einfachen Satz von Eingängen und produziert einen definitiven Ausgang.

Ein Quantengatter manipuliert einen Eingang von Superpositionen, rotiert Wahrscheinlichkeitsaussagen und

produziert eine andere Superposition als sein Ausgang.

Also baut ein Quantencomputer ein paar Qubits auf, benutzt Quantengatter um sie zu verschränken und um Wahrscheinlichkeitsaussagen zu manipulieren

und misst schlussendlich das Ergebnis, was die Qubits in eine Reihung von Einsen und Nullen zerfallen lässt.

Das bedeutet, dass alle mit dem Aufbau möglichen Berechnungen zur selben Zeit erhält.

Letztendlich kann man nur eines der Ergebnisse messen und es wird nur wahrscheinlich das sein, was man haben will. Also muss man vielleicht gegenprüfen und es nochmal versuchen.

Aber indem man clever Superposition und Verschränkung ausnutzt, kann dies exponentiell effizienter sein als das je auf einem normalen Computer möglich wäre.

Während Quantencomputer wahrscheinlich nicht unsere heimischen Computer ersetzen werden,

sind sie in manchen Bereichen erheblich überlegen.

Einer davon ist Datenbanken zu durchsuchen.

Um etwas in einer Datenbank zu finden, muss ein normaler Computer vielleicht jeden einzelnen Eintrag überprüfen.

Quantenalgorithmen brauchen nur die Quadratwurzel dieser Zeit,

was für große Datenbanken einen riesigen Unterschied bedeutet.

Der bekannteste Verwendungszweck von Quantencomputern ist die Zerstörung von IT Sicherheit.

Im Moment werden deine Surf-, Mail- und Bankdaten durch ein Verschlüsselungssystem geheimgehalten, bei dem sie jedem einen öffentlichen Schlüssel geben, mit dem er Nachrichten verschlüsseln kann, die nur sie entschlüsseln können.

Das Problem ist, dass dieser öffentliche Schlüssel benutzt werden kann, um deinen geheimen, privaten Schlüssel zu berechnen.

Glücklicherweise würden die nötigen Berechnungen auf jedem normalen Computer buchstäblich Jahre an Versuchen benötigen.

Aber für einen Quantencomputer mit exponentieller Beschleunigung wäre dies kinderleicht.

Ein weiterer sehr spannender neuer Nutzen sind Simulationen.

Simulationen der Quantenwelt sind sehr aufwendig und

selbst bei größeren Strukturen wie Molekülen fehlt es ihnen oft an Genauigkeit.

Also warum sollte man nicht Quantenphysik mit echter Quantenphysik simulieren?

Quantensimulationen könnten neue Einblicke in Proteine geben, die vielleicht die Medizin revolutionieren könnten.

Im Moment wissen wir nicht, ob Quantencomputer nur ein Spezialinstrument sein werden oder eine große Revolution für die Menschheit.

Wir wissen nicht, wo die Begrenzungen von Technologie liegen und es gibt nur ein Weg dies herauszufinden.

Dieses Video wird unterstützt von der Australischen Akademie der Wissenschaften,

die Vortrefflichkeit in der Wissenschaft unterstützt und fördert.

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