Konferenz „Quantencomputing verstehen“

Am Dienstag , den 10. Oktober, von 12:30 bis 14:30 Uhr, Prof. Dr. Abbas Omar, emeritierter Professor der Otto von Guericke Universität Magdeburg, im Larrañeta-Saal der Höheren Technischen Schule für Ingenieurwesen der Universität Sevilla die folgende Vorlesung im Rahmen des Doktorandenprogramms für Automatisierungs-, Elektronik- und Telekommunikationstechnik: „Quantencomputing verstehen“.

Zusammenfassung: Klassische Computer basieren auf der Binärkodierung digitaler Daten. Die Binärcodes werden mithilfe Boolescher Algebra und digitaler elektrischer Schaltungen, sogenannten Logikgattern, verarbeitet. Letztere sind einfache Konfigurationen von Transistoren und anderen Schaltungselementen (Widerständen, Kondensatoren usw.). Die Funktionsweise der Logikgatter wird durch die Schaltungstheorie beschrieben, eine vereinfachte Form der klassischen Elektromagnetik. In den 1960er Jahren wurde eine Beobachtung gemacht, die heute als „Moorsches Gesetz“ bekannt ist. Es sagt eine Verdopplung der Anzahl der Komponenten (hauptsächlich Transistoren) in einem integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre voraus. Darauf aufbauend wurde die Größe von Transistoren im molekularen Bereich vorhergesagt (modernste Transistoren können so klein wie wenige Atome sein), was die Schaltungstheorie als mathematisches Werkzeug zur Beschreibung der Funktionsweise der Logikgatter unbrauchbar machen sollte. Dies motivierte Anfang der 1980er Jahre zahlreiche Wissenschaftler, über den Ersatz dieser klassischen Computerbausteine ​​durch sogenannte Quantengatter nachzudenken. Die Funktionsweise von Quantencomputern wird vollständig durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt. Computer, deren Bausteine ​​Quantengatter sind, werden als Quantencomputer bezeichnet. Da die klassischen Gesetze (der Mechanik oder Elektromagnetik) einen Grenzfall der umfassenderen Quantengesetze darstellen, ist es offensichtlich geworden, dass Quantencomputer Algorithmen implementieren können, die in klassischen Computern nicht verfügbar sind. Dies hat Wissenschaftler dazu angeregt, solche Algorithmen zu entwickeln und entsprechende Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen zu schaffen, um entsprechende Hardware-Realisierungen zu finden und zu bauen. Prominente Beispiele hierfür sind die von IBM und Google entwickelten Hardware-Lösungen. Die meisten Ansätze zur Erklärung des Quantencomputings basieren auf den hochakademischen Konzepten der Quantenmechanik. Die verwendeten Fachbegriffe sind für die meisten interessierten Zuhörer, die nur über allgemeine Kenntnisse auf diesem Gebiet verfügen, schwer verständlich. In manchen Fällen entsteht die übertriebene Vorstellung, dass dieses „Zauberding“ alle rechenbasierten Probleme viel effizienter und viel schneller lösen kann als ein klassischer Computer. In diesem Vortrag werden ausschließlich mathematische Werkzeuge und Fachbegriffe auf Hochschulniveau verwendet, um die Konzepte des Quantencomputings und die Funktionsweise der entsprechenden Hardware – des Quantencomputers – zu erklären. Die Hauptunterschiede zwischen klassischer und Quantenmechanik werden kurz erläutert. Es wird gezeigt, dass sich dynamische Quantengrößen wie Position und Impuls in mechanischen Systemen sowie Spannung und Strom in elektrischen Schaltkreisen wie Zufallssignale und nicht wie deterministische Signale verhalten, deren Eigenschaften zur Informationsübertragung genutzt werden können. Weiterhin wird gezeigt, dass diese Zufallssignale in sogenannten Qubits gespeichert und verarbeitet werden können. Qubits sind das Quanten-Pendant zu den klassischen Bits. Die Hardware-Realisierung von Qubits in Form supraleitender Schaltkreise – den Transmons – wird erklärt. Andere Realisierungen von Qubits, wie beispielsweise gefangene Ionen und Quantenpunkte, werden nicht behandelt. Da dynamische Systeme nicht vollständig von ihrer Umgebung isoliert werden können, interagieren thermisches Rauschen und dynamische Quantengrößen, die beide Zufallssignale sind, miteinander. Im Gegensatz zu deterministischen Signalen hat Rauschen in diesem Fall eine andere Form. Es beeinträchtigt eine wesentliche statistische Eigenschaft interagierender quantendynamischer Variablen, die als Kohärenz bekannt ist. Kohärenz ist eine Art „Gedächtnis“, das es verschiedenen quantendynamischen Variablen ermöglicht, sich gegenseitig zu „erinnern“. Die Verwendung von Quantensystemen zur Informationskodierung und -verarbeitung erfordert daher eine Kühlung der Systeme auf nahezu den absoluten Nullpunkt (0 K), um den Einfluss von Rauschen auf die Kohärenz zu reduzieren. Kodierungs- und Verarbeitungsfehler aufgrund beeinträchtigter Kohärenzen können zudem den Einsatz von Fehlerkorrekturverfahren erfordern, ähnlich denen der Kanalcodierung. Kurzlebenslauf des Referenten ( https://www.hf.ovgu.de/Team/Emeriti/Abbas+Omar.html ): Abbas Omar erwarb 1978, 1982 bzw. 1986 die akademischen Grade Bachelor, Master und Doktor-Ing. in Elektrotechnik. Seit 1990 war er Professor für Elektrotechnik und von 1998 bis zu seiner Emeritierung 2020 Direktor des Lehrstuhls für Mikrowellen- und Kommunikationstechnik an der Universität Magdeburg. 2012 und 2013 war er als Distinguished Professor am Petroleum Institute in Abu Dhabi tätig und koordinierte dort die Forschungsaktivitäten für die Öl- und Gasindustrie. 2014 und 2015 leitete er den Lehrstuhl für Elektrotechnik und Informationstechnik an der University of Akron, Ohio, USA. Dr. Omar ist Autor und Koautor von über 480 Fachartikeln, die ein breites Spektrum an Forschungsgebieten abdecken. Seine aktuellen Forschungs- und Lehrgebiete umfassen die gesundheitlichen Aspekte von Millimeterwellenstrahlung, Quantencomputing, Phased-Array-Antennen und Beamforming für Massive MIMO sowie Magnetresonanztomographie. In der Vergangenheit befasste er sich zudem mit weiteren Disziplinen wie Mikrowellen- und Akustikbildgebung, Materialcharakterisierung mittels Mikrowellen und Millimeterwellen, Indoor-Positionierung, Untergrundtomographie und Bodenradar sowie der feldtheoretischen Modellierung von Mikrowellensystemen und -komponenten. Dr. Omar ist IEEE Fellow.