{"id":11058,"date":"2024-05-29T11:43:27","date_gmt":"2024-05-29T09:43:27","guid":{"rendered":"https:\/\/fmd-insight.de\/?p=11058"},"modified":"2024-06-05T12:22:05","modified_gmt":"2024-06-05T10:22:05","slug":"fmd-impuls-4-quantencomputing-qubits","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/news\/fmd-impuls\/fmd-impuls-4-quantencomputing-qubits\/","title":{"rendered":"Ungeahnte M\u00f6glichkeiten durch Quantencomputing<\/strong>"},"content":{"rendered":"\n
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Quantencomputer<\/strong> basieren auf einer vielversprechenden Technologie, die sich grundlegend von der des klassischen Computers unterscheidet.<\/p>\n

Sie nutzen unmittelbar die Prinzipien der Quantenphysik, um Informationen zu speichern und Berechnungen durchzuf\u00fchren. Als kleinste Informationseinheiten dienen dabei sogenannte Qubits<\/strong>.<\/p>\n

Im Gegensatz zu klassischen Bits k\u00f6nnen Qubits in einer beliebigen Superposition von 0 und 1<\/strong> existieren. Das Prinzip der Superposition sowie die kontrollierte quantenmechanische Verschr\u00e4nkung von Qubits<\/strong> in gr\u00f6\u00dferen Systemen erlauben es, Berechnungen hochgradig parallelisiert durchzuf\u00fchren.<\/p>\n

Im Idealfall perfekter Qubit-Systeme w\u00e4chst die Rechenleistung<\/strong> exponentiell mit der Anzahl an Qubits. Die Realisierung und Skalierung universeller und fehlerkorrigierter Quantencomputer wird jedoch noch viele Jahre an intensiver Forschung und Entwicklung erfordern.<\/p>\n

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Theoretisches Rechenbeispiel f\u00fcr das riesige Quantencomputing-Potenzial:<\/strong><\/p>\n

Ein Quantencomputer mit 300 verkn\u00fcpften Qubits kann potenziell 2300 m\u00f6gliche Zust\u00e4nde gleichzeitig beschreiben und damit eine gr\u00f6\u00dfere Zahl gleichzeitig darstellen, als es Atome im bekannten Universum gibt!<\/p>\n

\u00bbFMD-QNC\u00ab Quanten-Enabler Mikroelektronik\u00a0<\/strong><\/p>\n

Mit der deutschlandweiten Kooperation \u00bbFMD-QNC<\/a>\u00ab\u00a0bietet die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland mit weiteren Partnern\u00a0 einen niederschwelligen Zugang zu den zentralen Enabler-Technologien des Quantencomputings aus dem Bereich Mikroelektronik.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

Neue Rechnertechnologien als Garant f\u00fcr Sicherheit, Wohlstand und \u00d6kologie<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
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©<\/span>loewn | logulagu GmbH | Bernhard Wolf<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Noch sind die neuen Computertechnologien nicht anwendungsreif, ihr disruptives Potenzial ist jedoch sehr gro\u00df. Nun gilt es, einen Vorsprung gegen\u00fcber der weltweiten Konkurrenz zu generieren. Dies gelingt vor allem durch intensiven Wissenstransfer in die Industrie und besondere Anstrengung bei der Aus- und Weiterbildung von spezialisierten Fachkr\u00e4ften.<\/p>\n

Deutschland und Europa sind bei der Forschung zum neuromorphen Computing und zu Quantentechnologien gut aufgestellt, dies kann sich in einem dynamischen Feld jederzeit \u00e4ndern. Eine Abh\u00e4ngigkeit von anderen Regierungen oder Unternehmen beim Zugriff auf neue Computertechnologien k\u00f6nnte fatale Auswirkungen auf unsere (Cyber-) Sicherheit und \u00d6konomie haben.<\/p>\n

Auch bei der Erreichung von (globalen) \u00f6kologischen Zielen bieten die neuen Technologien enorme Chancen. Die n\u00e4chste Computergeneration kann beispielsweise durch Simulationen zur Entwicklung effektiverer D\u00fcngemittel beitragen oder komplexe Szenarien zur globalen Klimaentwicklung erstellen.<\/p>\n

Durch den Einsatz von neuromorphen und Quantenmodulen in Hochleistungsrechenzentren wird nicht nur eine erhebliche Leistungssteigerung erm\u00f6glicht, sondern es werden auch entsprechende Energieeinsparungen erzielt. Dies ist auf die deutlich verk\u00fcrzten Laufzeiten bei den einzelnen Rechenoperationen zur\u00fcckzuf\u00fchren.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

Quantencomputing \u2013 eine neue Technologie mit grenzenlosem Potenzial<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
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Beispielanwendungen die derzeit entwickelt werden im Blick<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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©<\/span>FZJ | Sascha Kreklau<\/div><\/div><\/div>

Kryptographie<\/strong><\/p>\n

Quantenkryptographie kann unsichere Methoden der Verschl\u00fcsselung revolutionieren, indem sie sich auf die Verschr\u00e4nkung von Qubits st\u00fctzt, um sichere Kommunikation zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n\n <\/div>\n

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©<\/span>Unsplash | Joey Klyber<\/div><\/div><\/div>

Logistik und Transport<\/strong><\/p>\n

Um komplexe Optimierungsprobleme in der Logistik und im Transport zu l\u00f6sen, k\u00f6nnen Quantencomputer die Route von Lieferfahrzeugen optimieren (travelling salesman problem) oder die Kapazit\u00e4t von Lagern berechnen.<\/p>\n

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©<\/span>Pixabay | zactucker<\/div><\/div><\/div>

Chemie- und Materialdesign<\/strong><\/p>\n

Quantencomputer k\u00f6nnen komplexe chemische und physikalische Prozesse modellieren und simulieren, um Materialien und Medikamente zu entwerfen und zu optimieren.<\/p>\n\n <\/div>\n

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©<\/span> Adobe Stock | tippapatt <\/div><\/div><\/div>

Finanzen<\/strong><\/p>\n

Quantencomputer k\u00f6nnen komplexe Finanzmodelle simulieren und Risiken in Echtzeit bewerten, um schnelle Entscheidungen und bessere Ergebnisse zu erzielen.<\/p>\n\n <\/div>\n

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©<\/span>Adobe Stock | trahko <\/div><\/div><\/div>

K\u00fcnstliche Intelligenz<\/strong><\/p>\n

Um schnellere und genauere Ergebnisse zu erzielen, k\u00f6nnen Quantencomputer das Training von neuronalen Netzen und anderen KI-Modellen beschleunigen und optimieren.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n Zum 3D-Focusroom Next Generation Computing<\/a>

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Herausforderungen einer disruptiven Zukunftstechnologie<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
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Das Potenzial von Quantencomputern ist enorm. Die ersten Laboraufbauten sind erfolgreich im Einsatz. Es ergeben sich aber einige Schwierigkeiten, die vor einer \u00dcberf\u00fchrung in die breite Praxis gel\u00f6st werden m\u00fcssen.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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Quantensysteme sind sehr empfindlich gegen\u00fcber kleinsten St\u00f6rungen aus der Umwelt. Je gr\u00f6\u00dfer die Anzahl der Qubits ist, umso schwieriger wird es, die Systeme zu kontrollieren und perfekt vor St\u00f6reinfl\u00fcssen zu sch\u00fctzen.<\/p>\n\n <\/div>\n

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Teilweise lassen sich hervorgerufene Fehler durch geschickte Algorithmen kompensieren oder durch die Kodierung der Quanteninformation auf mehreren physikalischen Qubits nachtr\u00e4glich korrigieren.<\/p>\n\n <\/div>\n

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Es gibt derzeit noch verschiedene konkurrierende Ans\u00e4tze f\u00fcr die Qubit-Realisierungen wie Supraleiter, neutrale Atome, Ionenfallen und Festk\u00f6rperspins. Derzeit wird noch erforscht, welche Ans\u00e4tze sich am besten f\u00fcr das Quantencomputing und dessen verschiedene Anwendungen eignen. Hier muss noch erhebliche Pionierarbeit geleistet werden.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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Mikroelektronik als Basis, um Quantencomputing zu kontrollieren<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
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Noch steht nicht fest, welche Technologieplattform sich f\u00fcr Quantencomputer durchsetzen wird. Alle aktuellen Ans\u00e4tze haben spezifische Vor- und Nachteile. Seien es Bed\u00fcrfnisse an extreme K\u00e4lte, die Gr\u00f6\u00dfe des Ger\u00e4ts, sehr hoher Kosten oder Skalierbarkeit und Rauschunterdr\u00fcckung. Im Projekt \u00bbFMD-QNC\u00ab wird daher technologieoffen an den vielversprechendsten Ans\u00e4tzen gearbeitet:<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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Kryo-on-Wafer-Messplatz am Fraunhofer IAF, der Charakterisierungen von Wafern bei extrem niedrigen Temperaturen erm\u00f6glicht.
©<\/span>Fraunhofer IAF<\/div><\/div><\/div>

Supraleiter<\/strong><\/p>\n

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Bei dieser Technologie werden die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers, die Qubits, durch widerstandslos flie\u00dfende Str\u00f6me in supraleitenden Schaltkreisen realisiert. Diese Str\u00f6me sind relativ robust gegen\u00fcber \u00e4u\u00dferen St\u00f6reinfl\u00fcssen und k\u00f6nnen die Quanteneigenschaften \u00fcber lange Zeit beibehalten. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.<\/p>\n\n <\/div>\n

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©<\/span>Unsplash<\/div><\/div><\/div>

Neutrale Atome<\/strong><\/p>\n

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Ultrakalte Atome werden im Vakuum einzeln in optischen Fallen aus fernverstimmtem Laserlicht gefangen. Sie repr\u00e4sentieren perfekte Qubits, die \u00fcber die Lichtfelder r\u00e4umlich frei angeordnet werden k\u00f6nnen. Durch resonantes Licht k\u00f6nnen die Qubits kontrolliert und gezielt in Wechselwirkung gebracht werden. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.<\/p>\n\n <\/div>\n

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Laserbasierte Adressieroptik f\u00fcr eine Ionenfalle eines Quantencomputers der n\u00e4chsten Generation.
©<\/span>Fraunhofer IOF<\/div><\/div><\/div>

Ionen-Fallen<\/strong><\/p>\n

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Ionen werden durch elektromagnetische Wechselfelder innerhalb einer Vakuumkammer gefangen. Sie bilden dabei lineare Ketten aus perfekten Qubits. Mikroelektronik und Photonik erlauben es, die Ionen elektromagnetisch zu kontrollieren und auszulesen. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.<\/p>\n\n <\/div>\n

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Kryogene Messstation am Fraunhofer IAF
©<\/span>Fraunhofer IAF<\/div><\/div><\/div>

Festk\u00f6rper-Spins<\/strong><\/p>\n

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Auch die Spins von Elektronen in Festk\u00f6rpern k\u00f6nnen als Qubits verwendet werden. Mittels elektrostatisch geladener Elektroden auf Halbleiteroberfl\u00e4chen k\u00f6nnen Quantenpunkte erzeugt werden, in denen einzelne Elektronen gefangen sind. Durch elektrische und magnetische Wechselfelder k\u00f6nnen die Elektronen kontrolliert und zur Wechselwirkung gebracht werden. Die eingesetzten Technologien haben gro\u00dfe \u00c4hnlichkeit zu denen von klassischen Schaltkreisen. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

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Weitere Informationen zu Forschungsschwerpunkten und Projekten<\/b>
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Quantencomputer basieren auf einer vielversprechenden Technologie, die sich grundlegend von der des klassischen Computers unterscheidet. Sie nutzen unmittelbar die Prinzipien der Quantenphysik, um Informationen zu speichern und Berechnungen durchzuf\u00fchren. Als kleinste Informationseinheiten dienen dabei sogenannte Qubits.<\/p>\n","protected":false},"author":8,"featured_media":11067,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[90],"tags":[],"class_list":["post-11058","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-fmd-impuls"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/11058","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=11058"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/11058\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":23041,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/11058\/revisions\/23041"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/11067"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=11058"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=11058"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=11058"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}