Moderne Anwendungen der Quantenmechanik. Vom Quanten-Computer bis zur Quanten-Teleportation


Seminararbeit, 2011
19 Seiten, Note: 1,3

Leseprobe

Gliederung:

1.Einleitung

2.Der Quanten-Computer
2.1 Computer versus Quanten-Computer
2.2 Über das Quanten-Bit zum Quanten-Computer
2.2.1 Das Quantenbit
2.2.2 Das Quantenregister
2.2.3 Die drei Prinzipien der Quantenberechnung
2.3 Der Quanten-Computer in der Praxis
2.4 Anwendungsbereiche

3. Die Quanten-Teleportation
3.1 Hinführung
3.2 Die Grundlagen der Quanten-Teleportation
3.2.1 Die Verschränkung
3.2.2 Die Bell-Zustände
3.3 Die Quanten-Teleportation in der Praxis
3.4 Anwendungsbereiche

4. Schlussbemerkung

5. Bibliographie
5.1 Quellenverzeichnis
5.2 Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

„Man klagt zu unrecht, dass unsere Zeit keine Philosophen mehr habe, sie sitzen nur jetzt in anderen Fakultäten, und ihre Namen sind Planck und Einstein.“Q1, diese Aussage vom Theologen und Wissenschaftsorganisator Adolf von Harneck trifft mehr als nur zu. Denn befasst man sich mit der Quantenphysik und vor allem mit ihren Ursprüngen eingehender, stößt man früher oder später auf die immer selben Namen, die maßgeblich an der Entwicklung der Quantenphysik beteiligt waren. Die große Faszination an der Quantenphysik für viele Wissenschaftler ist ihre absolute Abhebung von der klassischen Physik, wie sie unter anderen Newton prägte. Vergleicht man nur manche Aspekte der beiden Bereiche miteinander so sieht man schnell ein, dass die Menschen oft an die Grenzen ihrer Vorstellungskraft geraten, wenn sie sich mit ihr befassen.Die Quantenmechanik befasst sich grundlegend mit allen Vorgängen im atomaren und subatomaren Bereich, in ihr ist nichts mit absoluter Wahrscheinlichkeit auszudrücken, vieles kann nur abgewägt werden.

Wirft man einen Blick in die Vergangenheit, zu den Anfängen des Bereiches der Quantenphysik so beginnt die Reise am Anfang des 20. Jahrhundert. Die Physiker waren der Meinung, dass ihr Wissen mit den Newton‘schen Bewegungsgesetzen schon vollendet wäre und alle Probleme der Physik wären fast gelöst; dieses Weltbild durchbricht Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie und erweitert somit den Horizont der Naturwissenschaften.Q2

Darauf hin entwickelte sich der Bereich der Physik stetig weiter und vor allem der Bereich der Quantenmechanik, mit Einstein als Pionier, expandierte mit rasantem Tempo und ergatterte immer mehr Aufmerksamkeit der breiten Masse.

In den letzten 100 Jahren sammelten Physiker Unmengen von neuen Theorien wie Erwin Schrödinger 1926 die Wellenmechanik, die das Verhalten von Quantensystemen beschreibt.

Die Quantentheorie ist heute eine der empirisch am wohl besten bestätigten Theorie der Physik. Die Forschung der vorangegangen 100 Jahre ermöglichen dieser Tage erst das Betsehen zahlreicher Einrichtungen wie der European Organization for Nuclear Research (CERN), in Genf, Schweiz.

Dort wird in der heutigen Zeit an jeder Art von atomaren und subatomaren Prozessen geforscht und die Arbeit von Planck und Schrödinger fortgeführt.Q3 Doch nicht nur vergangene Forschungen und Entwicklungen prägen den heutigen Wissenstand der Quantenphysik. Auch heutzutage noch ist die Quantenphysik ein wissenschaftlicher Bereich von großer Aktualität, der durch zahlreiche Neuentdeckungen stetig erweitert wird. Vor allem die Erforschung des Quanten-Computers und der Quanten-Teleportation definieren dabei die mitunter interessantesten Bereiche der modernen Forschung.

In den folgenden Kapiteln sollen eben diese Bereiche der Quantenmechanik in ihren Einzelheiten beleuchtet werden. Ziel dieser Ausführung ist es, einen näheren Einblick in die moderne Forschung und ihre Anwendungsgebiete in unseren heutigen Zeit zu geben.

2. Der Quanten-Computer

2.1 Computer versus Quanten-Computer

Bevor wir uns mit dem Quanten-Computer beschäftigen, ist es nötig zuerst die Rechenweise eines klassischen Computer zu betrachten. Der erste Computer war Konrad Zuse‘s Z1 Maschine, die er 1938 entwickelte und in Abbildung 1 zu sehen ist. Sie legte den Grundstein moderner Rechenmaschinen und verstand sich Schon sich auf die Sprache aller Computer: dem Binärcode.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Konrad Zuse‘s Z1 Maschine

Aufgebaut ist dieser Code aus

Abfolgen von „0“ und „1“, die als Bit‘s bezeichnet werden und eine Reihe dieser Bit‘s als Bit-Register. Das bedeutet, dass alles was ein Computer zur Berechnung oder zur Darstellung benötigt sind diese Bit‘s.

Betrachtet man beispielsweise ein Bild auf dem Bildschirm eines Computers, ist es für den Betrachter eine Komposition aus Farben und Formen; für den Computer selbst jedoch ist es eine sehr lange Abfolge von 0 und 1, bei dem jeder einzelne Punkt des Bildes wiederum eine Abfolge von 0 und 1 ist. Nun betrachten wir die Rechenmethode eines Computers anhand einer simplen Addition zweier Zahlen. Als Beispiel nehmen wir die Addition von 36 und 72, wobei der Computer genau so vorgeht wie ein Kind in der Grundschule. Er betrachtet zunächst die hinterste Ziffer der ersten Zahl und der zweiten Zahl und addierte diese, also [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und notiert sich dies als Zwischenergebnis. Danach betrachtet er die nächsten beiden Zahlen, also 3+7=10 und notiert sich die 0 und die 1 als Übertrag und erhält somit das Endergebnis von 108. Der Computer wechselt als zwischen verschiedenen Zuständen wie „Betrachten“, „Addieren“, „Notieren“ oder „setze Übertrag“, wobei jeder Zustand eine Übergangsphase zum nächsten Zustand darstellt. [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Ein klassischer Computer führt also Berechnungen mit Hilfe von Abfolgen von Zuständen durch, was den größten Unterschied zwischen einem klassischen Computer und einem Quantencomputer definiert. Ein Quantencomputer hat die Fähigkeit, anstatt die Zustände nacheinander anzugehen, sie gleichzeitig durchzuführen. Diese Fähigkeit wird als „Quantenparallelismus“ bezeichnet und gilt ebenfalls für die Betrachtung einzelner Bit‘s. Hat man diesen grundlegenden Unterschied einmal verinnerlicht, hat man einen großen Schritt Richtung Verständnis eines Quantencomputers gemacht.

2.2 Über das Quanten-Bit zum Quanten-Computer

2.2.1 Das Quantenbit

Wie bereits erklärt rechnet ein klassischer Computer mit den beiden Zuständen 0 und 1, wohingegen ein Quantencomputer die Zustände 0 und 1 bei einer Berechnung gleichzeitig annimmt, das bezeichnet man als „Superposition“ der Zustände.

Die einzelnen Bit‘s eines Quantencomputers sind Quantenbits und werden zur Veranschaulichung ihrer Werte in Klammern geschrieben, wodurch sich die folgende Schreibweise ergibt 0〉und 1〉.

Betrachtet man nun den Zustand eines einzelnen Quantenbits so beschreibt man diesen durch: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Hierbei benennt man α und β als Amplituden, diese geben die jeweilige Wahrscheinlichkeit der einzelnen Zustände an; für sie gilt: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Werfen wir nun einen Blick auf das „Ablesen“ dieser Quantenbits, ziehen wir wieder einen Vergleich mit einem normalen Computer: bei diesem übermitteln kleine elektrische Impulse auf dem Prozessor die Information des gerade vorhandenen Bits; ein Impuls bedeutet hierbei eine 1, falls kein Impuls erscheint ist das eine 0. Eine deutliche Stufe komplizierter fällt dieses „Ablesen“ bei dem Quantencomputer aus.

Versucht man nämlich, den Zustand eines Quantenbits zu ermitteln, wird dessen Superposition zerstört, das bedeutet für uns im Kehrschluss, wir haben nur eine Chance das entsprechende Qubit abzulesen. Für die Zeit nach der

Messung dieses Bits ist es mit der Wahrscheinlichkeit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] im Zustand 1〉.

Betrachten wir das anhand eines Beispiels: Der Zustand eines Qubits ist , somit ist er mit der Wahrscheinlichkeit im Zustand 0〉 und mit im Zustand [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Um den Zustand eines Quantenbits und dessen Position im Raum auch darstellen zu können bedient man sich eines Vektors. Wir betrachten hierbei wieder das Qubit mit dem Zustand [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]und definieren diesen Zustand als Vektor.

[...]

Ende der Leseprobe aus 19 Seiten

Details

Titel
Moderne Anwendungen der Quantenmechanik. Vom Quanten-Computer bis zur Quanten-Teleportation
Note
1,3
Autor
Jahr
2011
Seiten
19
Katalognummer
V193668
ISBN (eBook)
9783668201965
ISBN (Buch)
9783668201972
Dateigröße
1814 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Physik, Quantenmechanik, Quanten-Computer, Quanten-Teleportation, Quanten, Teleportation, Seminararbeit
Arbeit zitieren
Christoph Neumaier (Autor), 2011, Moderne Anwendungen der Quantenmechanik. Vom Quanten-Computer bis zur Quanten-Teleportation, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/193668

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