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Informatik: Zwischen Wissenschaft und Zehnfingersystem Renato Renner Institut für Theoretische Physik ETH Zürich.

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Präsentation zum Thema: "Informatik: Zwischen Wissenschaft und Zehnfingersystem Renato Renner Institut für Theoretische Physik ETH Zürich."—  Präsentation transkript:

1 Informatik: Zwischen Wissenschaft und Zehnfingersystem Renato Renner Institut für Theoretische Physik ETH Zürich

2 Wo muss ich klicken, um die Powerpoint- Präsentation zu starten?

3 Ein Virus hat meine Harddisk gelöscht. Wie kann ich meine Ferienfotos wiederherstellen?

4 Wir möchten die Noten unserer Schüler elektronisch verwalten. Welche Lösungen gibt es dafür?

5 An unserer Schule soll jeder Schüler seine eigene -Adresse besitzen. Welche Infrastruktur brauchen wir dazu?

6 Wie viel Information ist in einer menschlichen DNA enthalten?

7 Ist ein Computer in der Lage, das menschliche Gehirn zu simulieren?

8 Welche dieser Fragen sollen unsere Schüler / Studentinnen beantworten können?

9 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung

10 Wo muss ich klicken, um die Powerpoint- Präsentation zu starten?

11 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint

12 Ein Virus hat meine Harddisk gelöscht. Wie kann ich meine Ferienfotos wiederherstellen?

13 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups

14 Wir möchten die Noten unserer Schüler elektronisch verwalten. Welche Lösungen gibt es dafür?

15 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken

16 An unserer Schule soll jeder Schüler seine eigene -Adresse besitzen. Welche Infrastruktur brauchen wir dazu?

17 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke

18 Wie viel Information ist in einer menschlichen DNA enthalten?

19 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie

20 Ist ein Computer in der Lage, das menschliche Gehirn zu simulieren?

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23 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

24 Gilt eine eingescannte Unterschrift als digitale Signatur?

25 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

26 Wie funktioniert Google?

27 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

28 Welche Fragen sollen unsere Schülerinnen und Schüler kompetent beantworten können?

29 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

30 Anwenderwissen Absolut notwendig. Für Generation der unter 30-jährigen selbstverständlich. Halbwertszeit: Jahre.

31 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

32 Fachwissen In bestimmten Berufen wichtig. Wird beispielsweise in einer Informatiklehre oder in der Fachhochschule vermittelt. Halbwertszeit: Jahrzehnte.

33 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

34 Konzeptwissen Meist nur indirekte Anwendbarkeit. Bleibt einer breiten Bevölkerungsschicht verborgen. Halbwertszeit:

35 Informatik Das Spektrum der Informatik AnwendungenWissenschaft Produktkenntnisse System-/Software- Entwicklung Design von Informatiksystemen Programmiersprachen Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T T Jahre T Jahrzehnte T Naturwissenschaftliche Einsichten

36 Informatik Das Spektrum der Informatik AnwendungenWissenschaft Produktkenntnisse System-/Software- Entwicklung Design von Informatiksystemen Programmiersprachen Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T T Jahre T Jahrzehnte T Naturwissenschaftliche Einsichten

37 Informatik als Wissenschaft Informationstheorie Was ist Information?

38 Wie viel Information ist in einer menschlichen DNA enthalten?

39 Kann jede Art von Information in Form von Bits und Bytes auf einem Computer gespeichert werden?

40 Neues Forschungsgebiet: Quanteninformatik Quanten- Physik Informatik Quanten- informatik

41 Information ist physikalisch [R. Landauer, 1927 – 1999] klassischquanten-mechanisch kann beliebig gelesen werden kann kopiert werden lesen verändert den Inhalt des Geschriebenen kann nicht kopiert werden (No-Cloning)

42 Forschung im Bereich der Quanteninformatik Ziel Nutzbarmachung der Quantenphysik zur Informationsverarbeitung. Ziel Nutzbarmachung der Quantenphysik zur Informationsverarbeitung. Bedeutung in der heutigen Forschungslandschaft Schwerpunktsgebiet an der ETH (10 Forschungsgruppen mit gesamthaft über 160 Mitarbeitern). Bundesrat hat für die nächsten 4 Jahre zusätzlich 17 Mio. CHF für Forschung in diesem Gebiet bewilligt. Bedeutung in der heutigen Forschungslandschaft Schwerpunktsgebiet an der ETH (10 Forschungsgruppen mit gesamthaft über 160 Mitarbeitern). Bundesrat hat für die nächsten 4 Jahre zusätzlich 17 Mio. CHF für Forschung in diesem Gebiet bewilligt.

43 Informatik als Wissenschaft Informationstheorie Was ist Information? Komplexitätstheorie Welche Fragen kann ein Computer beantworten?

44 Ist ein Computer in der Lage, das menschliche Gehirn zu simulieren?

45 Kann ein Computer den Beweis zu einem mathematischen Theorem finden / überprüfen?

46 Informatik als Wissenschaft Informationstheorie Was ist Information? Komplexitätstheorie Welche Fragen kann ein Computer beantworten? Kryptographie Was bedeutet Geheimhaltung / Authentizität?

47 Gilt eine eingescannte Unterschrift als digitale Signatur?

48 Was ist elektronisches Geld? Ist dieses grundsätzlich fälschungssicher?

49 Informatik Das Spektrum der Informatik Anwendungen Konzepte Wissenschaft System-/Software- Entwicklung Powerpoint Backups Datenbanken Netzwerke Informations- theorie Berechenbarkeit

50 Welche Fragen sollen unsere Schülerinnen und Schüler kompetent beantworten können?

51 Merci pour votre attention!

52 Berechenbarkeit Lässt sich jede Funktion berechnen? Nein: es gibt Fragen, deren Antworten sich prinzipiell nicht berechnen lassen (obwohl sie existieren!). Beobachtungen Experimente Informationsverarbeitung Voraussagen

53 Simulierbarkeit Können alle beobachtbaren Konsequenzen einer Theorie (z.B. der Quantentheorie) numerisch simuliert werden? Ja, aber man bräuchte dazu eventuell einen Quantencomputer. Beobachtungen Experimente Informationsverarbeitung Voraussagen

54 Klassische Beschreibung von Quantensystemen 36 Atome 2 36 komplexe Zahlen > 100 GByte Ψ

55 Informationsgehalt Lässt sich der Informationsgehalt eines Objekts quantifizieren? Ja, über dessen Beschreibungslänge. Beobachtungen Experimente Informationsverarbeitung Voraussagen

56 Informationsgehalt For each pixel on the screen do: { x = 0 y = 0 iteration = 0 max_iteration = 1000 while ( x*x + y*y <= (2*2) AND iteration < max_iteration ) { xtemp = x*x - y*y + x0 y = 2*x*y + y0 x = xtemp iteration = iteration + 1 } if ( iteration == max_iteration ) then color = black else color = iteration plot(x0,y0,color) } For each pixel on the screen do: { x = 0 y = 0 iteration = 0 max_iteration = 1000 while ( x*x + y*y <= (2*2) AND iteration < max_iteration ) { xtemp = x*x - y*y + x0 y = 2*x*y + y0 x = xtemp iteration = iteration + 1 } if ( iteration == max_iteration ) then color = black else color = iteration plot(x0,y0,color) }

57 Informationsgehalt Wie gross ist der Informationsgehalt eines Atoms, der menschlichen DNA, oder des Universums? Die Physik such nach einer minimalen Beschreibung der Naturgesetze. Beobachtungen Experimente Informationsverarbeitung Voraussagen

58 Naturgesetze sind komprimierte Information über die Natur

59 Komplexität Wie viel Zeit wird benötigt, um ein Problem zu lösen? In der theoretischen Informatik kann man beweisen, dass sich die meisten Probleme nicht effizient lösen lassen. Beobachtungen Experimente Informationsverarbeitung Voraussagen

60 Informatik Das Spektrum der Informatik AnwendungenWissenschaft Produktkenntnisse System-/Software- Entwicklung Design von Informatiksystemen Programmiersprachen Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T T JahreT Jahrzehnte T Naturwissenschaftliche Einsichten

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62 Informatik Das Spektrum der Informatik AnwendungenWissenschaft Produktkenntnisse System-/Software- Entwicklung Design von Informatiksystemen Programmiersprachen Erforderliches Wissen und Halbwertszeit T T JahreT Jahrzehnte T Naturwissenschaftliche Einsichten

63 Informationstheoretische Formulierung der physikalischen Gesetze

64 Maxwells Dämon

65 Was ist Information? Andrey Nikolaevich Kolmogorov Claude Shannon

66 Shannons Idee: Darstellungsunabhängige Informationstheorie

67 Landauers Erasure-Prinzip Das Löschen eines Bits Information ist unweigerlich mit der Erhöhung der Entropie der Umgebung um 1 k B, verbunden, und heizt diese entsprechend auf. Rolf Landauer, Charles Bennett, geboren 1943

68 Erweiterung der Ideen von Kochen/Specker und Bell Abstrakte Prinzipien, formuliert in der Sprache der Logik oder Informationstheorie, erlauben uns, den Raum möglicher physikalischer Theorien substantiell einzuschränken. Ernst Specker

69 Kurt Gödel (1906 – 1978)


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