Die Computer der Zukunft? Fakultät Informatik » Institut für Technische Informatik » Professur für VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur Quantencomputer Die Computer der Zukunft? Dresden, 28.11.2012

Gliederung Motivation Allgemeine Funktionsweise Quantenregister Funktionsgatter Geschichtliches und Aktuelles Anwendungen für Quantencomputer Ausblick Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 2 von XY

Motivation Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 3 von XY

Serge Haroche (* 11.09.1944) David J. Wineland (* 24.02.1944) Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 4 von XY

Allgemeine Funktionsweise Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 5 von XY

Superposition 1 0 oder 1 Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer 1 0 oder 1 Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 6 von XY

Verschränkung Messung 1 2 0 + 1 |0〉 1 2 0 + 1 |1〉 Dresden, 28.11.2012 1 2 0 + 1 |0〉 1 2 0 + 1 |1〉 Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 7 von XY

Quantenregister Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 8 von XY

Quantenregister Quantenregister speichern ähnlich wie klassische Register eine Bitsequenz Ein Quantenregister der Länge n speichert n Qubits Beispiele für Aneinanderkettung: 0 ⊗ 0 ⊗ 1 ≡ 001 ≡ 1 1 ⊗ 1 ⊗ 0 ≡ 110 ≡ 6 Auch Superposition (Überlagerung) möglich: 1 2 0 + 1 ⊗ 1 ⊗ 1 ≡ 1 2 011 + 111 ≡ 1 2 3 + 7 Klassisches 4-Bit-Register aus D-FFs Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 9 von XY

Funktionsgatter Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 10 von XY

Prinzip bei Dekohärenz Prinzip bei Superposition 1-Bit-Gatter Bezeichnung Prinzip bei Dekohärenz Prinzip bei Superposition Identität 𝐴 ′ =𝐴 0  0 1  1 NOT-Gatter 𝐴 ′ = 𝐴 0  1 1  0 Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 11 von XY

2-Bit-Gatter Symbol Bezeichnung Funktion Kontrolliertes NICHT-Gatter (CNOT) 00 → 00 01 →|01〉 10 →|11〉 11 →|10〉 Austauschknoten (Swap) 00 → 00 01 →|10〉 10 →|01〉 11 →|11〉 Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 12 von XY

Geschichtliches und Aktuelles Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 13 von XY

Geschichtliches und Aktuelles 2002: Faktorisieren der Zahl 15 (in 5 und 3) mit 7 Qubits 2005: erstes Quantenbyte 2007: Erster kommerzieller Quantenrechner von D-Wave –Systems 2008: D-Wave vermarktet 128-Qubit-Rechner 2011: Faktorzerlegung von 143 mit 4 Qubits 2012: Berechnung von Ramsey-Zahl R(8,2) mit 84 Qubits Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 14 von XY

Ramsey-Algorithmus (1) Wie viele Gäste braucht man mindestens, wenn es unter ihnen eine Gruppe geben soll, in der sich 3 gegenseitig kennen bzw. eine Gruppe von 3 Gästen, die sich noch nicht kennen? Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 15 von XY

Ramsey-Algorithmus (2) Wie viele Gäste braucht man mindestens, wenn es unter ihnen eine Gruppe geben soll, in der sich 3 gegenseitig kennen bzw. eine Gruppe von 3 Gästen, die sich noch nicht kennen? Lösung: R(3,3) = 6 Blaue Kante: Gäste kennen sich Rote Kante: Gäste kennen sich nicht Quelle: D-Wave Systems Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 16 von XY

Ramsey-Algorithmus (3) ungarischer Mathematiker Paul Erdös: Würden Aliens auf der Erde landen und uns nur am Leben lassen, wenn wir ihnen binnen eines Jahres die Ramsey-Zahl R(5,5) nennen könnten, müsste die Menschheit fix ihre klügsten Köpfe und die besten Rechner versammeln. Dann hätte sie vielleicht eine Chance zu überleben. Würden die Aliens hingegen R(6,6) von uns wissen wollten, sollten wir besser sofort zum Gegenangriff übergehen. Denn R(6,6) wäre schon zu schwierig zu lösen. Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 17 von XY

Anwendungen für Quantencomputer Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 18 von XY

Design auf Molekularebene Durchsuchen von Datenbanken Schachcomputer Anwendungen Design auf Molekularebene Durchsuchen von Datenbanken Schachcomputer Optische Atomuhren Kryptographie Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 19 von XY

Ausblick Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 20 von XY

Quellen http://itp1.uni-stuttgart.de/lehre/vorlesungen/hauptseminar/ss2011/13_Vortrag_Maier.pdf http://de.wikipedia.org/wiki/Quantencomputer http://www.quantencomputer.de/ http://www.heise.de/tr/artikel/Frischer-Wind-fuers-Quantencomputing-1417416.html http://www.zeit.de/wissen/2012-10/nobelpreis-physik-preistraeger http://www.welt.de/wissenschaft/article109720739/Einblicke-in-die-bizarre-Welt-der-Quantenphysik.html http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Quantengatter http://www.heise.de/tp/artikel/37/37896/1.html http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~milq/quantencomp/quantencomputer.pdf http://www.heise.de/newsticker/meldung/Erstes-Quantenbyte-erzeugt-153527.html Dresden, 28.11.2012 Quantencomputer Folie Nr. 21 von XY