Quantencomputer : die Technik des 21. Jahrhunderts

Die technische Realisierung und Nutzung von quantenphysikalischen Phänomenen hat bereits seit einiger Zeit in unserer Alltagswelt Einzug gehalten, sei es nun durch DVDs und Blu-Rays, LEDs, Photovolatikanlagen, CCD-Chips in Kameras, Kernspintomographie etc. Die Liste ließe sich noch beliebig fortsetzen. Allerdings reicht für die meisten der oben genannten Objekte eine makroskopische Beschreibung aus. Nur wenige technische Anwendungen erfordern eine quantenmechanische Beschreibung und sind zudem noch fern von einer breiten Verwendung. Beispiele wären etwa die Quantenkryptographie, eine Verschlüsselungsmethode mit theoretisch hundertprozentiger Sicherheit. Seit den letzten Jahrzehnten des vorigen Jahrtausends forscht man weltweit an einer weiteren Anwendung, welche aufgrund Besonderheiten der Quantenmechanik für gewisse Anwendungen bedeutende Vorteil gegenüber zurzeit existierender Technologie bringen kann: Der Quantencomputer. Obwohl die Arbeit daran im wissenschaftlichen Bereich bereits seit Jahrzehnten kontinuierlich voranschreitet, so ist der Begriff in unserem Alltag noch nicht wirklich angekommen. Aus diesem Grund bietet dieses Gebiet eine hervorragende Möglichkeit, vertiefenden Physikunterricht am Puls der modernen Forschung durchzuführen.Diese Diplomarbeit soll einen kleinen Einblick in die zugrundeliegenden Konzepte und mögliche Realisierungen bieten. Als Startpunkt erfolgt daher ein kurzer Abriss des fachdidaktischen Forschungsstandes auf der einen Seite, und der historischen Entwicklung im wissenschaftlichen Bereich auf der anderen Seite (Kapitel 1). Anschließend sollen die zum Verständnis der Technologie notwendigen Grundkonzepte der Quantenphysik knapp und möglichst anschaulich erklärt werden (Kapitel 2). In Kapitel 3 wird der Begriff der Information und Informationsverarbeitung, aus der ja das Gebiet der Informatik hervorgeht, beleuchtet, bevor im darauffolgenden Kapitel der Schwenk zur Quanteninformationstheorie und einigen Anwendungen wie Quantenteleportation (Kapitel 4.2) und Quantenkryptographie (Kapitel 4.6) erfolgt. In Kapitel 5 wird der Fokus dann endgültig auf die Quanteninformatik und auf die physikalische Realisierung und mögliche Anwendungen als informationsverarbeitende Systeme gelegt. Dabei werden die wichtigsten bestehenden Zugänge für den Bau eines Quantencomputers verglichen und die jeweiligen Vor- und Nachteil gegenübergestellt (Kapitel 5.2). Den Abschluss macht die Vorstellung bekannter Algorithmen, durch welche Quantencomputer in den jeweiligen Anwendungen bedeutende Vorteile gegenüber klassischen Rechnern bieten könnten (Kapitel 5.3).Quantum mechanics and related technology have become substantial elements of our daily life, e.g. as DVDs and Blu-ray discs, light emitting diodes (LEDs), photovoltaics and the charge-coupled devices in cameras, nuclear magnetic resonance tomography, etc; the list is almost endless. However, most of the applications mentioned above can be described semiclassically. There is only a small number of technologies that inevitably requires a quantum mechanical desciption even for a basic understanding. Quantum cryptography is one of these selected technologies. It guarantees secure communication because a quantum mechanical encryption is unbreakable. Another application basing on quantum mechanical principles has attracted enormous attention during the last decades: the quantum computer. Its functioning promises a powerful speedup compared to classical computers for several specific but relevant tasks. Although the scientific work on quantum computer proceeds for tens of years, this device is not yet known to a broader audience. Hence, this topic offers excellent opportunities for physics lessons at the cutting-edge of research. This thesis aims at providing a basic knowledge of these devices and current technological approaches. It starts with a brief summary about the state of didactical research as well as the historic development (chapter 1). It is followed by a short recap of the fundamental principles of quantum pysics required for a basic understanding of this technology (chapter 2). Chapter 3 focuses on information theory and chapter 4 shows a couple of applications for quantum information processes, e.g. quantum teleportation (chapter 4.2.) and quantum cryptography (chapter 4.6). Chapter (5) discusses quantum computer science and advantages and drawbacks of promising platforms. The thesis is concluded with quantum algorithms and the possible benefits of quantum computers compard to classical devices.vorgelegt von Dipl.-Ing. Georg Arnold, BScZusammenfassungen in Deutsch und EnglischAbweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers/der VerfasserinKarl-Franzens-Universität Graz, Diplomarbeit, 2017(VLID)224614