Was ist ein Quantenalgorithmus?
Ein Quantenalgorithmus ist ein Satz von Computeranweisungen zum Analysieren von Problemen, der nicht auf klassischen mathematischen oder probabilistischen Berechnungen basiert, sondern die einzigartige Natur der Quantenrealität verwendet, bei der ein einzelnes Datenbit zwei entgegengesetzte Werte darstellen kann, z eine Null in der binären Logik. Ein Quantenalgorithmus setzt im engeren Sinne die Funktion eines Quantencomputers voraus, der ab 2011 in keiner gefertigten Form existiert. Die theoretische Informatik hat jedoch zumindest ab 2011 Analogien zur echten Quantenalgorithmusberechnung geschaffen, mit Beispielen wie z wie die Algorithmen Deutsch, Shor und Grover.
Der Deutsch-Quanten-Algorithmus wurde 1985 erfunden und nach dem israelisch-britischen Physiker David Deutsch benannt, der an der Universität Oxford in Großbritannien arbeitet. Deutschs Algorithmus wird, wie die meisten Computeranweisungen im Quantencomputer, als eine Art Abkürzung für Verarbeitungsprobleme und damit für die Problemlösung auf Mikrochip-Ebene angesehen. Bei der Standard-Wahrscheinlichkeitsberechnung muss allen möglichen Zuständen für Problemlösungen ein Verteilungswert zugewiesen werden, und alle müssen berechnet werden, um zu bestimmen, welche Antwort oder welcher Wert die höchste Wahrscheinlichkeit für die Richtigkeit aufweist. Beim Quantencomputing mit dem Deutsch-Algorithmus wird jeder mögliche Lösungszustand zu einem sogenannten Einheitsvektor kombiniert, der sich in Richtung einer bestimmten Art von Lösung oder Zustandsumwandlung bewegt. Dies beruht auf einem Prinzip, das in der Mathematik als Quantenüberlagerung bekannt ist und bei dem erwartet wird, dass in allen möglichen Zuständen Lösungen für Probleme gleichzeitig existieren, wodurch die Notwendigkeit einer langwierigen probabilistischen Logikverarbeitung im Wesentlichen entfällt.
Die Shor- und Grover-Quantenalgorithmen verhalten sich ähnlich, sind jedoch für bestimmte Arten der Computerverarbeitung ausgelegt. Der Shor-Algorithmus wird für mathematisches Factoring und der Grover-Algorithmus für die Suche nach aussagekräftigen Daten in computergestützten Listen oder Datenbanken ohne definierbare Struktur verwendet. Obwohl beide Algorithmen auf klassischen Computersystemen ausgeführt werden, die Standardverarbeitungsarten ausführen, hat sich gezeigt, dass ihr Design klassischen wahrscheinlichkeitsbasierten Algorithmen für dieselben Aufgabentypen weit überlegen ist. Shors Algorithmus ist exponentiell schneller und Grovers ist quadratisch schneller oder quadratisch schneller als die Standard-Rechenmethode. Der Shor-Quantenalgorithmus ist nach Peter Shor benannt, einem amerikanischen Mathematikprofessor, der ihn 1994 entwickelt hat, und der Grover-Quantenalgorithmus ist nach Lov Grover benannt, einem indisch-amerikanischen Informatiker, der ihn 1996 entwickelt hat.
Einer der einzigartigen Aspekte des Quantencomputers ist, dass Berechnungen nicht auf diskreten Werten basieren, die willkürlich voneinander getrennt werden können, sondern in einem Zustand der Quantenverschränkung existieren. Die Standardwerte in einer Berechnung treten in einen Überlagerungszustand ein, in dem sie alle exponentiell als Amplituden oder Wertebereiche manipuliert werden und jedes Bit oder Qubit von Information miteinander verwickelt ist. Dies macht jeden Datenpunkt voneinander abhängig und stellt keinen diskreten Wert dar, wie dies beim herkömmlichen Rechnen der Fall ist. Dies ist die Grundlage dafür, dass Quantenalgorithmen Daten so viel schneller verarbeiten können als herkömmliche Algorithmen.