Was ist Quantencomputing?What is quantum computing?

Es gibt einige Probleme, die so schwierig und so unglaublich gewaltig sind, dass ihre Lösung selbst bei Zusammenarbeit aller Supercomputer der Welt länger als die Lebensdauer des Universums dauern würde.There are some problems so difficult, so incredibly vast, that even if every supercomputer in the world worked on the problem, it would still take longer than the lifetime of the universe to solve.

Quantencomputer bieten das Versprechen, einige der größten Herausforderungen unseres Planeten zu lösen – im Bereich Umweltschutz, Landwirtschaft, Gesundheitswesen, Energie, Klima, Materialwissenschaft und bei Problemen, die wir bisher nicht einmal kennen.Quantum computers hold the promise to solve some of our planet's biggest challenges - in environment, agriculture, health, energy, climate, materials science, and problems we’ve not yet even imagined. Der Einfluss von Quantencomputern wird weitreichend sein, so groß wie die Schaffung des Transistors im Jahr 1947, die den Weg zur digitalen Ökonomie von heute ebnete.The impact of quantum computers will be far-reaching and have as great an impact as the creation of the transistor in 1947, which paved the way for today’s digital economy.

Quantencomputer nutzen die einzigartigen Verhaltensweisen der Quantenphysik, um ein neues und leistungsstarkes Modell des Computings bereitzustellen.Quantum computing harnesses the unique behavior of quantum physics to provide a new and powerful model of computing. Die Theorie der Quantenphysik postuliert, dass Materie auf Quantenebene sich in einer Überlagerung mehrerer klassischer Zustände befinden kann.The theory of quantum physics posits that matter, at a quantum level can be in a superposition of multiple classical states. Und diese vielen Zustände überlagern einander wie Wellen in einem Gezeitenbecken.And those many states interfere with each other like waves in a tide pool. Nach einer Messung stellt sich einer der klassischen Zustände ein.The state of matter after a measurement "collapses" into one of the classical states.

Daraufhin wird bei einer Wiederholung der gleichen Messung das gleiche klassische Ergebnis erreicht.Thereafter, repeating the same measurement will produce the same classical result. Eine Quantenverschränkung tritt auf, wenn Partikel so miteinander interagieren, dass sich der Quantenzustand der einzelnen Partikel nur in Abhängigkeit von den anderen Partikeln beschreiben lässt, selbst wenn die Partikel physisch weit voneinander entfernt sind.Quantum entanglement occurs when particles interact in ways such that the quantum state of each cannot be described independently of the others, even if the particles are physically far apart.

Quantencomputer speichern Informationen in Quantenzuständen von Materie und profitieren von Quanteneigenschaften wie Superposition und Verschränkung, um Quantenberechnungen auf der Grundlage dieser Informationen durchzuführen, wobei sie Quanteninterferenzen nutzen und lernen, sie zu programmieren.Quantum computing stores information in quantum states of matter and uses its quantum nature of superposition and entanglement to realize quantum operations that compute on that information, thereby harnessing and learning to program quantum interference.

Quantencomputing mag sich einschüchternd anhören, aber mit den richtigen Ressourcen können Sie noch heute anfangen, Quantenanwendungen zu erstellen.Quantum computing might sound daunting, but with the right resources you can start building quantum applications today.

Das QubitThe qubit

Quantencomputing definiert Computingkonzepte, die das Quantenverhalten widerspiegeln.Quantum computing defines computing concepts that reflect the quantum behavior. Am Anfang des Quantencomputings steht das Konzept eines Qubit.Quantum computing begins with the notion of a qubit. Beim Quantencomputing bildet ein Quantenbit – Qubit – eine Quanteninformationseinheit, wie ein klassisches Bit.In quantum computing, a quantum bit - qubit - is a unit of quantum information, like a classical bit. Klassische Bits enthalten einen einzelnen binären Wert (0 oder 1). Der Zustand eines Qubits kann dagegen eine Superposition sein (also 0 und 1 gleichzeitig).Where classical bits hold a single binary value such as a 0 or 1, the state of a qubit can be in a superposition of 0 and 1 simultaneously.

Die Messung eines Qubits verändert dessen Zustand.The act of measuring a qubit changes a qubit state. Nach der Messung geht das Qubit von einer Superposition in einen der klassischen Zustände über.With measurement, the qubit goes from being in superposition to one of the classical states.

Mehrere Qubits können außerdem verschränkt sein.Multiple qubits can also be entangled. Bei der Messung eines verschränkten Qubits wird unsere Kenntnis des Zustands der anderen Qubits ebenfalls aktualisiert.When we make a measurement of one entangled qubit, our knowledge of the state of the other(s) is updated as well.

QuantenalgorithmenQuantum algorithms

Quantenalgorithmen nutzen Quanteneigenschaften und -verhaltensweisen, um klassische Algorithmen zu beschleunigen oder völlig neue Möglichkeiten für die Modellierung physischer Systeme zu bieten.Quantum algorithms are designed to take advantage of quantum nature and behavior to speed up classical algorithms, or to provide entirely new ways of modeling physical systems. Diese Algorithmen nutzen die Art der Informationscodierung durch Qubits sowie die Möglichkeit zur parallelen Verwendung mehrerer verschränkter Qubits in Superposition.These algorithms exploit the way qubits encode information and the parallel nature of operating on multiple entangled qubits in superposition.

Bei klassischen Computern werden Informationen in Bits mit zwei möglichen Werten (0 oder 1) codiert.Classical computers encode information in bits; each bit encoding two possible values, 0 or 1. Ein Qubit codiert zwei Werte gleichzeitig (0 und 1).One qubit encodes two values simultaneously, 0 and 1. Zwei klassische Bits codieren einen von vier möglichen Werten: 00, 01, 10 oder 11. Zwei Qubits codieren dagegen gleichzeitig eine beliebige Superposition der vier Zustände. Bei einer Messung erhalten wir allerdings immer nur einen dieser Werte.Two classical bits encode one of 4 possible values, (00, 01, 10, 11) whereas two qubits encode any superposition of the 4 states simultaneously, although we can obtain only one of those values when measuring. Vier Qubits codieren gleichzeitig eine beliebige Superposition von 16 Werten. Dies setzt sich exponentiell so fort.Four qubits encode any superposition of 16 values simultaneously, and so on, exponentially. 100 Qubits können mehr Informationen codieren, als heutzutage in den größten Computersystemen zur Verfügung stehen.100 qubits can encode more information than is available in the largest computer systems today.

Wenn mehrere verschränkte Qubits zudem kohärent agieren, können sie mehrere Optionen gleichzeitig verarbeiten.Furthermore, when multiple entangled qubits act coherently, they can process multiple options simultaneously. Verschränkte Qubits können Informationen in einem Bruchteil der Zeit verarbeiten, die selbst die schnellsten nicht quantengestützten Systeme benötigen würden.Entangled qubits can process information in a fraction of the time it would take even the fastest non-quantum systems.

Quantenalgorithmen werden bereits seit mehreren Jahrzehnten erforscht, um diese Quantenattribute nutzbar zu machen, und es wurden bereits zahlreiche innovative Techniken gefunden, um Aufgaben in einem Bruchteil der Zeit zu lösen, die bei Verwendung klassischer Methoden nötig wäre.Harnessing these quantum attributes has been the pursuit of multiple decades of quantum algorithm research, and there are many innovative techniques that have been found that solve problems in a fraction of the time it takes to solve classically.

Einer der berühmtesten Quantenalgorithmen ist der Shor-Algorithmus zur Faktorisierung, der das klassisch sperrige Problem der Faktorisierung einer großen Zahl in zwei Primzahlen schnell genug macht, um eine Gefahr für die klassische Kryptografie zu bilden.One of the most famous quantum algorithms is Shor's algorithm for factorization, which makes the classically intractable problem of factorization of a large number into two prime numbers fast enough to challenge traditional cryptography.

Auf der eher konstruktiven Seite werden durch Überlagerung, Quantenverschränkung und die Eigenschaft der Nichtkopierbarkeit von Qubits (womit die Unmöglichkeit des unentdeckten Kopierens von Qubits bezeichnet wird) Algorithmen für die Verteilung sicherer kryptografischer Schlüssel möglich.On the more constructive side, algorithms for secure cryptographic key distribution are made possible by superposition, quantum entanglement, and the no cloning property of qubits, meaning the inability for qubits to be copied without detection.

Der Grover-Algorithmus bietet eine Quantenalgorithmus-Technik, mit der sich beim Durchsuchen unstrukturierter Daten eine quadratische Beschleunigung erzielen lässt.Grover's algorithm highlights a quantum algorithm technique that provides a quadratic speed-up for searching unstructured data.

QuantenhardwareQuantum hardware

In klassischen Computern entsprechen Bits Spannungsniveaus in den Siliziumschaltkreisen.In classical computers, bits correspond to voltage levels in silicon circuits. Die Hardware von Quantencomputern kann durch viele physikalische Umsetzungen von Qubits implementiert werden: Ionenfallen, Supraleitung, neutrale Atome, Elektronenspin, Lichtpolarisation, topologische Qubits.Quantum computing hardware can be implemented by many different physical realizations of qubits: trapped ions, superconducting, neutral atoms, electron spin, light polarization, topological qubits. Quantenhardware ist eine aufstrebende Technologie.Quantum hardware is an emergent technology. Qubits sind naturgemäß anfällig und verlieren bei der Interaktion mit ihrer Umgebung an Kohärenz.Qubits are fragile by nature and become less coherent as they interact with their environment. Daher muss ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Systemgenauigkeit und Skalierbarkeit gefunden werden.Balancing fidelity of the system with scalability is needed. Je größer der Maßstab (d.h. die Anzahl der Qubits), desto höher ist die Fehlerrate.The larger the scale (that is, number of qubits), the higher the error rate.

Microsoft entwickelt einen Quantencomputer auf der Grundlage topologischer Qubits.Microsoft is developing a quantum computer based on topological qubits. Wir glauben, dass ein topologisches Qubit weniger durch Änderungen in seiner Umgebung beeinflusst wird, was das Maß an externer Fehlerkorrektur verringert.We believe a topological qubit will be less impacted by changes in its environment, therefore reducing the degree of external error correction. Topologische Qubits zeichnen sich durch erhöhte Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungsrauschen aus, was bedeutet, dass sie sich leichter skalieren lassen und länger zuverlässig bleiben.Topological qubits feature increased stability and resistance to environmental noise, which means they can more readily scale and remain reliable longer.

Quantencomputing: ein vollständiger Hardware- und SoftwarestapelQuantum computing – a full hardware and software stack

Das Quantenprogramm von Microsoft ist einzigartig, da wir uns auf die Skalierung jeder einzelnen Komponente des Systems konzentrieren, um echte Quantenvorteile zu liefern.Microsoft's quantum program is unique in that we focus on scaling each and every component of the system to deliver real quantum impact. Dieser ganzheitliche Ansatz umfasst Folgendes:This comprehensive approach involves:

  • Aufbau eines Quantencomputers mit zuverlässigen, skalierbaren und fehlertoleranten topologischen Qubitsbuilding a quantum computer using reliable, scalable, and fault-tolerant topological qubits,
  • Entwicklung einer einzigartigen kryogenischen Steuerungsebene mit geringer Verlustleistung und Wärmeabgabeengineering a unique cryogenic control plane with low power and heat dissipation,
  • Entwicklung eines vollständigen Softwarestapels zur Programmierung des Quantencomputers und zur Steuerung des skalierbaren Systems.developing a complete software stack to enable programming the quantum computer and controlling the system at scale.

Das Open-Source-QDK (Quantum Development Kit) wurde eingeführt, um Quantenprogrammierung und die Entwicklung von Algorithmen zugänglicher zu machen.The open source Quantum Development Kit (QDK) has been introduced to make quantum programming and algorithm development more accessible. Unsere übergeordnete Programmiersprache namens Q# ist auf die Bewältigung der Herausforderungen im Bereich der Quantenprogrammierung ausgelegt.Our high-level programming language, Q#, addresses the challenges of quantum programming. Q# ist als übergeordnete quantenorientierte Programmiersprache für die Entwicklung von Algorithmen und Anwendungen konzipiert.We designed Q# as a high-level quantum-focused programming language focused on algorithm and application development. Der Q#-Compiler ist in einen Softwarestapel integriert, der es ermöglicht, einen Quantenalgorithmus bis zu den primitiven Operationen eines Quantencomputers hinab zu kompilieren.The Q# compiler is integrated in a software stack that enables a quantum algorithm to be compiled down to the primitive operations of a quantum computer. Bis zu einem bestimmten Maßstab (Anzahl Qubits) können Quantencomputer auf einem klassischen Computer simuliert werden.Up to a certain scale (number of qubits), quantum computing can be simulated on a classical computer. Mithilfe von Simulation können Sie heute beginnen, Quantenprogramme zu schreiben, die morgen auf Quantenhardware ausgeführt werden können.Using simulation, you can start to write quantum programs today for running on quantum hardware tomorrow. Darüber hinaus stehen Beispiele, Bibliotheken und Lernübungen für Q# zur Verfügung, um Ihnen den Einstieg in die Quantenprogrammierung zu erleichtern.We’ve also paired Q# with samples, libraries, and learning exercises to make it easy to begin quantum programming today.

Nächste SchritteNext steps