Abstract In den allerletzten Jahren wurden eine Reihe von neuen Konzepten entwickelt, die quantenmechanische Prinzipien und Methoden in der Informationsübertragung und Informationsverarbeitung anwenden. Die bekanntesten Schlagworte in diesem Zusammenhang sind Quantenkryptographie und Quantencomputer. Der vorliegende Artikel gibt eine kurze Einführung in die Grundprinzipien und einen Überblick über dieses neue Gebiet.
Abstract In den allerletzten Jahren wurden eine Reihe von neuen Konzepten entwickelt, die quantenmechanische Prinzipien und Methoden in der Informationsübertragung und Informationsverarbeitung anwenden. Die bekanntesten Schlagworte in diesem Zusammenhang sind Quantenkryptographie und Quantencomputer. Der vorliegende Artikel gibt eine kurze Einführung in die Grundprinzipien und einen Überblick über dieses neue Gebiet.
Abstract Obwohl die Quantenmechanik sämtliche Gebiete der modernen Physik durchzieht, stoßen wir immer wieder auf Probleme, wenn wir ihre Vorhersagen mit unserer klassischen Anschauung zu verstehen versuchen. Seit einigen Jahren geht der Trend dahin, die seltsam anmutenden Eigenheiten der Quantenwelt ‐ Nichtlokalität, Superpositionsprinzip, Unschärferelation ‐ auszunutzen, um Dinge zu realisieren, die innerhalb der klassischen Physik unmöglich sind. Die Quanten‐Informationsverarbeitung, auch Quantenkommunikation genannt, ist aus diesem Ansatz hervorgegangen; erste Demonstrationsexperimente zum Quantencomputer sowie Quantenkryptographie‐Prototypen haben gezeigt, welches Potential diese Entwicklung birgt [1, 2]. In diesem Artikel verdeutlichen wir, wie die Grundprinzipien der Quantentheorie in der Quantenkryptographie zur Anwendung kommen.
Quantencomputer ermöglichen es, bestimmte Berechnungen schneller, genauer und energieeffizienter durchzuführen als klassische Computer, indem sie quantenmechanische Phänomene ausnutzen. Da die Umsetzung der meisten Quantenalgorithmen allerdings Operationen benötigt für die Quantencomputer ungeeignet sind, z. B. Datenbankzugriffe, werden Quantencomputer typischerweise als Spezialprozessoren in hybriden Quantenanwendungen verwendet. Die Entwicklung und der Betrieb dieser hybriden Anwendungen sind komplex und erfordern eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit. Dabei wird tiefgreifendes Wissen aus unterschiedlichen Domänen benötigt, beispielsweise aus der Mathematik, Physik und Softwareentwicklung. Zusätzlich wird die Entwicklung und der Betrieb von Quantenanwendungen durch weitere Faktoren erschwert: (i) Die aktuelle Quantensoftwarelandschaft und die verfügbaren Quanten-Clouddienste, die Zugriff auf unterschiedliche Quantencomputer geben, sind sehr heterogen. (ii) Die schnellen Fortschritte im Quanten-Software-Engineering führen zur Einführung neuer Techniken, welche die Ausführung von Quantenschaltkreisen verbessern können, allerdings aktuell eine komplexe, manuelle Integration erfordern. (iii) Das Fehlen geeigneter Abstraktionsebenen führt dazu, dass die Entwicklung von Quantenanwendungen, insbesondere für Entwickler, die wenig Erfahrung mit Quantencomputing haben, zeitaufwändig und fehleranfällig ist. Um diese Probleme zu lösen, wird in dieser Arbeit die PASTA-Methode präsentiert. Diese basiert auf der Quantencomputingmustersprache, welche etablierte Konzepte und Best Practices in der Quantencomputingdomäne intuitiv verständlich dokumentiert, und stellt einen ganzheitlichen Prozess für diemusterbasierten Entwicklung und den Betrieb von Quantenanwendungen vor. Die Methode beinhaltet alle notwendigen Schritte von der Auswahl der zu verwendenden Quantencomputingmuster, über die Generierung der ausführbaren Quantenanwendung auf Basis wiederverwendbarer Lösungen sowie die Bereitstellung der erforderlichen Softwareartefakte, bis hin zur Überwachung und Analyse der Ausführung hybrider Quantenanwendungen. Zur Umsetzung der PASTA-Methode wird im Rahmen dieser Arbeit die Quantencomputingmustersprache um mehrere Muster erweitert, welche Best Practices für den Betrieb von hybriden Quantenanwendungen sowie etablierte Methoden zur Abschwächung und Korrektur von Quantenfehlern dokumentieren. Um die vom Nutzer ausgewählten Muster in einen ausführbaren Quantenworkflow transformieren zu können, werden eine Vielzahl neuer Workflowmodellierungskonstrukte eingeführt, welche die Spezifikation verschiedener, häufig auftretender Aktivitäten in Quantenworkflows vereinfachen. Weiterhin wird ein Ansatz für die automatische und dynamische Bereitstellung von hybriden Quantenanwendungen auf Grundlage von Nutzeranforderungen vorgestellt. Auf diesen Konzepten aufbauend werden neue Sichten auf Quantenworkflows eingeführt, welche die Überwachung und Analyse von hybriden Quantenanwendungen vereinfachen. Die Sichten ermöglichen es unterschiedlichen Nutzergruppen, wie beispielsweise Quantenexperten und dem Betriebspersonal, Quantenanwendungen auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu analysieren und bieten zusätzliche, für die jeweilige Nutzergruppe relevante Informationen. Zur Demonstration der praktischen Umsetzbarkeit der PASTA-Methode wird das PASTA-Framework eingeführt, welches die in dieser Arbeit eingeführten Konzepte prototypisch implementiert. Die Nutzbarkeit der Methode und des Frameworks werden anhand mehrerer Anwendungsfälle evaluiert, für welche eine Laufzeitanalyse sowie eine Nutzerstudie durchgeführt wird.
Quanteninformationstheorie untersucht die Möglichkeiten mit Quantensystemen Information zu verarbeiten. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik, wie beispielsweise Superposition und Verschränkung, erlauben neue Wege der Informationsverarbeitung, die in klassischen Theorien nicht denkbar wären. In den letzten Jahren wurden diese besonderen Quanteneffekte dazu genutzt, um außergewöhnliche Resultate, wie zum Beispiel Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantenkommunikation, zu erreichen. Das Feld der Quantenkommunikation erforscht die Prinzipien der Quantenmechanik, um bestimmte Aufgaben und Protokolle zu realisieren, die mit klassischen Ressourcen unmöglich wären. Im Allgemeinen ist Kommunikation der Prozess bei dem eine Nachricht von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt wird. Solch ein Vorgang benötigt die Kodierung der zu sendenden Information auf einem Signalträger (elektromagnetische Wellen, Spannung, mechanische Wellen, etc.), der den Gesetzen der Physik gehorcht. Aus dieser Perspektive ermöglicht die Quantenmechanik mit ihren der Intuition widersprechenden Prinzipien einen völlig neuen Rahmen für Kommunikationstheorie und Informationsverarbeitung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell der Kommunikation mit beschränkten Ressourcen (gemessen an der Anzahl an Informationsträgern) und endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu untersuchen. Wir zeigen, dass Kommunikation, welche die obigen Restriktionen erfüllt, für klassische Systeme grundlegenden Schranken gehorcht. Im Gegensatz dazu können diese klassischen Barrieren durch Quanteneffekte überwunden werden. Tatsächlich kann Quantenkommunikation mit nur einem Teilchen in räumlicher Superposition und mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit zu „Mehrwegkommunikation“ führen, was mit rein klassischen Ressourcen unmöglich wäre. Im Kontext von Mehrspieler Kommunikationsspielen zeigen wir einerseits, dass für klassische Theorien die Gewinnwahrscheinlichkeit immer unter Eins liegt und mit der Anzahl der Spieler monoton sinkt. Andererseits erlaubt Kommunikation mittels eines Quantenteilchens in Superposition verschiedener Aufenthaltsorte das Spiel unabhängig von der Anzahl der Spieler immer mit Sicherheit zu gewinnen. Dieses Protokoll wird explizit für zwei, drei und fünf Parteien charakterisiert und danach für eine beliebige Anzahl an Spielern verallgemeinert. Des Weiteren schlagen wir eine mögliche experimentelle Implementation mit einzelnen Photonen für ein Spiel mit drei Parteien vor.
Von der Erklärung rätselhafter Spektrallinien und der Schwarzkörperstrahlung bis hin zu den tiefsten Fragen über die Natur von Realität und Information: Die Quantenphysik hat eine bemerkenswerte Entwicklung in den letzten hundert Jahren durchlaufen. Anfangs getrieben von praktischen Problemen der Atomphysik, wandte sich die Forschung zunehmend abstrakten Konzepten wie Superposition, Verschränkung und der Bedeutung eines physikalischen Zustands zu. Diese Grundlagenfragen führten zu revolutionären Einsichten, die lange als theoretische Kuriositäten galten. Heute bilden sie das Fundament moderner Quantentechnologien, wie Quantencomputer und Quantenkommunikation. Die Vorlesung lädt dazu ein, diese faszinierende Reise nachzuvollziehen und zu entdecken, wie aus Theorie greifbare Technologie wurde.
Die vorliegende Masterarbeit widmet sich den physikalischen, technischen und didaktischen Grundlagen des Quantencomputings. Angesichts der zunehmenden Relevanz von Quantentechnologien in Wissenschaft und Industrie stellt sich die Frage, inwieweit grundlegende Konzepte wie Superposition, Quantenverschränkung oder Quantenschaltkreise auch im schulischen Kontext vermittelbar sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung eines fundierten Verständnisses der quantenmechanischen Prinzipien sowie deren Übertragung auf die Funktionsweise moderner Quantencomputer. Darüber hinaus wird ein didaktisches Konzept für den Einsatz im Physikunterricht der Sekundarstufe II entwickelt. Die theoretischen Grundlagen werden durch Veranschaulichungen mit der Cloud-Technologie Qiskit ergänzt, die es ermöglicht, reale Quantencomputer zu programmieren. Im Rahmen des didaktischen Teils wird eine methodisch strukturierte Unterrichtseinheit entwickelt, die sowohl eine didaktische Reduktion als auch eine lehrplankonforme Planung berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Einführung des Quantencomputings auch im schulischen Kontext realisierbar ist, insbesondere durch den Einsatz visueller und interaktiver Hilfsmittel. Abschließend wird ein Ausblick auf die zukünftige Relevanz des Themas im Bildungsbereich gegeben und die Erkenntnisse der Arbeit werden in einem Fazit zusammengefasst.