Muster werden in unterschiedlichsten Domänen zur Dokumentation von häufig wiederkehrenden Problemen verwendet. Zumeist arbeiten mehrere Musterautoren kollaborativ an dem Identifikations- und Erstellungsprozess einer Mustersprache. Die Dokumentation der Muster erfolgt entweder klassisch in einem Buch oder Paper oder in einem Musterrepository. Ein Repository bietet den Vorteil, dass es einfach angepasst und erweitert werden kann. Mit der steigenden Relevanz des Quantencomputings wurde es immer wichtiger, dass Entwickler Quantenalgorithmen effizient erstellen können. Um dies zu erreichen wurden häufig wiederkehrende Probleme aufgefasst und in den ersten Quantencomputing-Mustern dokumentiert. Da sich die Quantencomputing-Domäne momentan sehr schnell entwickelt, sollen die Muster erweitert und beim Erlangen neuer Erkenntnisse angepasst werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde analysiert, welche spezifischen Anforderungen Quantencomputing-Muster an ein Musterrepository haben. Insbesondere das Darstellen, Bearbeiten und Diskutieren von Quantenartefakten, wie mathematischen Formeln, Quantenschaltungen und konkreten Implementierungen, wurde als essentiell identifiziert. Auf Basis dieser Anforderungen und der allgemeinen Richtlinien zum Mustererstellungsprozess wurde ein Konzept für ein Quantencomputing-Musterrepository entwickelt, welches im Pattern Atlas als Prototyp umgesetzt wurde.
Muster werden in unterschiedlichsten Domänen zur Dokumentation von häufig wiederkehrenden Problemen verwendet. Zumeist arbeiten mehrere Musterautoren kollaborativ an dem Identifikations- und Erstellungsprozess einer Mustersprache. Die Dokumentation der Muster erfolgt entweder klassisch in einem Buch oder Paper oder in einem Musterrepository. Ein Repository bietet den Vorteil, dass es einfach angepasst und erweitert werden kann. Mit der steigenden Relevanz des Quantencomputings wurde es immer wichtiger, dass Entwickler Quantenalgorithmen effizient erstellen können. Um dies zu erreichen wurden häufig wiederkehrende Probleme aufgefasst und in den ersten Quantencomputing-Mustern dokumentiert. Da sich die Quantencomputing-Domäne momentan sehr schnell entwickelt, sollen die Muster erweitert und beim Erlangen neuer Erkenntnisse angepasst werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde analysiert, welche spezifischen Anforderungen Quantencomputing-Muster an ein Musterrepository haben. Insbesondere das Darstellen, Bearbeiten und Diskutieren von Quantenartefakten, wie mathematischen Formeln, Quantenschaltungen und konkreten Implementierungen, wurde als essentiell identifiziert. Auf Basis dieser Anforderungen und der allgemeinen Richtlinien zum Mustererstellungsprozess wurde ein Konzept für ein Quantencomputing-Musterrepository entwickelt, welches im Pattern Atlas als Prototyp umgesetzt wurde.
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.
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.
In dieser Arbeit werden Algorithmen zur Lösung zahlentheoretischer Probleme für klassische Computer und Quantencomputer entwickelt und analysiert sowie ihre Auswirkungen auf Public-Key-Kryptosysteme untersucht. Im Jahr 1994 veröffentliche Shor einen Quantenalgorithmus [Shor, 1994], der das Periodengitter einer gegebenen Funktion in Quanten-Polynomzeit bestimmt. Mit diesem Algorithmus läßt sich das Faktorisierungs- und das Diskreter-Logarithmus-Problems in endlichen abelschen Gruppen in Quanten-Polynomzeit lösen. Dadurch werden die meisten heutzutage verwendeten Public-Key-Kryptoverfahren unsicher, sollten hinreichend große Quantencomputer eines Tages gebaut werden können. Der erste Quantencomputer wurde 1998 gebaut [Chuang/Vandersypen/Zhou/Leung/Lloyd, 1998]. Er bestand aus zwei Qubits. Der größte Quantencomputer, der bis heute gebaut wurde, besteht aus nur sieben Qubits [Vandersypen/Steffen/Breyta/Yannoni/Sherwood/Chuang, 2001]. Es hat sich herausgestellt, daß das Bauen von großen Quantencomputern ein extrem schwieriges Problem ist. Aus diesem Grund kann davon ausgegangen werden, daß die Größe der Quantencomputer, d.h. die Anzahl der Qubits, aus denen ein Quantencomputer besteht, nur langsam wachsen wird. Deshalb ist es von Interesse, Shors Quantenalgorithmus an verschiedene abelsche Gruppen sowie gruppenähnliche Strukturen zu adaptieren und ihre genaue Komplexität zu untersuchen, um daraus die Bedrohungen für die betroffenen Kryptosysteme genau zu bestimmen. In dieser Arbeit werden Quantenalgorithmen zur Lösung des Ordnungsproblems und des DL-Problems in der Klassengruppe der Ideale eines imaginär-quadratischen Zahlkörpers angegeben und ihre Komplexität, d.h. die Anzahl der Qubits und der elementaren Quantenoperationen, bestimmt. Darüberhinaus werden Algorithmen zur Bestimmung des Regulators und zur Lösung des Hauptidealproblems und des erweiterten Diskreter-Logarithmus-Problems in reell-quadratischen Zahlkörpern präsentiert. Shors Algorithmus wird dabei auf Funktionen angewendet, die nicht injektiv innerhalb einer Periode sind. Auch in diesem Fall wird die Komplexität der Algorithmen genau bestimmt. Im Falle von Zahlkörpern eines beliebigen Grades wird eine weitere Modifikation von Shors Algorithmus entwickelt: Es wird das Periodengitter einer Funktion bestimmt, deren Periodengitter irrational ist. Dieser Algorithmus wird benutzt, um die Einheitengruppe eines beliebigen endlich-dimensionalen Zahlkörpers zu berechnen. Als nächstes werden die Auswirkungen von Quantenalgorithmen auf die Sicherheit von Public-Key-Kryptosystemen untersucht. Es wird ein neuer Sicherheitsbegriff eingeführt. Die Sicherheit zweier Kryptosysteme wird als gleich definiert, wenn die Anzahl der Qubits zum Brechen dieser Kryptosysteme gleich ist. Basierend auf der neuen Sicherheitsdefinition wird die Geschwindigkeit und die Schlüsselgröße von einigen Kryptosystemen verglichen. Im letzten Kapitel wird ein deterministischer klassischer Algorithmus zur Berechnung der Struktur einer endlichen abelschen Gruppe aus einem Erzeugendensystem präsentiert, dessen Laufzeit nur linear von der Anzahl der gegebenen Erzeuger abhängt und dessen Speicherplatzkomplexität unabhängig von der Anzahl der gegebenen Erzeuger ist. Das stellt eine exponentielle Verbesserung zu früheren Algorithmen dar, bei denen sowohl die Laufzeit als auch die Speicherplatzkomplexität exponentiell von der Anzahl der Erzeuger im gegebenen Erzeugendensystem abhängt [Buchmann/Jacobson/Teske, 1997].
Low-Code-Plattformen reduzieren den erforderlichen manuellen Programmieraufwand bei der Entwicklung von Quantenanwendungen und erleichtern dadurch den Zugang zur Quantenprogrammierung. Für das Verständnis und die Bearbeitung von Quantenschaltungen ist jedoch weiterhin ein grundlegendes Verständnis der zugrunde liegenden mathematischen Zustandsentwicklung erforderlich. Dieses Wissen muss häufig unabhängig von der visuellen Modellierung, beispielsweise aus Lehrbüchern oder anderen Lernmaterialien, erschlossen werden. Dadurch bleiben die visuelle Darstellung einer Quantenschaltung und ihre mathematische Repräsentation konzeptionell voneinander getrennt. Insbesondere fehlt eine direkte Verbindung zwischen einzelnen Quantengattern und den daraus resultierenden mathematischen Zustandsänderungen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie eine Low-Code Plattform erweitert werden kann, um diese Verbindung herzustellen. Dazu wird das Modellierungswerkzeug Qonstruct um einen Mathemodus erweitert, der visuelle Schaltungselemente bidirektional mit den zugehörigen mathematischen Zwischenschritten in Dirac-Notation verknüpft. Dadurch soll es ermöglicht werden, die Auswirkungen einzelner Quantengatter sowohl ausgehend von der visuellen Schaltung als auch von der mathematischen Zustandsentwicklung nachzuvollziehen. Ergänzend werden eine Bloch-Sphäre, ein Messwahrscheinlichkeits-Histogramm, ein KI-gestützter Erklärmodus, eine hierarchische Gruppenmodellierung sowie Funktionen zur OpenQASM-Interoperabilität integriert. Die Entwicklung erfolgt in einem iterativen, nutzerzentrierten Vorgehen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Teilnehmenden mit Unterstützung des erweiterten Werkzeugs Aufgaben zu Quantenschaltungen erfolgreicher bearbeiten konnten als ohne Werkzeugunterstützung.
Im ersten Abschnitt dieser Arbeit versuchen wir, die algebraische Struktur, welche im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik unter Verwendung des Influenzfunktionals auftritt, herauszuarbeiten. Dies erlaubt uns einen tieferen Einblick in ansonsten unübersichtliche und langwierige Rechenschritte, speziell im Realzeitformalismus, und ermöglicht uns eine leichtere Identifikation der dabei auftretenden Terme und deren Ursprung aus dem zugrunde liegenden Modell als auch deren physikalische Bedeutung. Die verwendeten Methoden haben wir soweit als möglich in konsistenter und anschaulicher Form eingeführt, so dass diese Arbeit ohne spezielle Kenntnis des Gebietes der dissipativen Quantenmechanik gelesen werden kann. Besonderen Wert haben wir auf den Übergang von der quantenmechanischen auf die klassische Beschreibung von dissipativen Vorgängen gelegt, da ein Verständnis dieses Übergangs eine tiefere Einsicht in den Messprozess liefert. In der selben Weise ist damit auch der Übergang von der mikroskopischen - durch die Quantenmechanik beschriebenen - Welt in die makroskopische Welt verbunden, welche den Gesetzen der klassischen Mechanik folgt. Zusätzlich zeigen wir, wie die Resultate der Influenzfunktionalmethode stochastisch interpretiert werden können, was einen leichteren Vergleich mit der bekannten quantenmechanischen Zeitentwicklung durch die Schrödingergleichung erlaubt. Im weiteren betrachten wir die sogenannte Tight-Binding Näherung von Modellen, bei welchen sich der Hamiltonraum für die Systembeschreibung im wesentlichen durch diskrete Eigenzustände des Ortsoperators ausdrücken lässt und Übergänge zwischen diesen Zuständen unterdrückt sind, wodurch eine Propagation entweder durch ein Tunneln oder durch thermische Anregung erfolgt. Im Rahmen der dissipativen Quantenmechanik bringt diese Methode eine immense Vereinfachung in der effektiven Beschreibung des Systems, da Anstelle einer ganzen Historie von Systempfaden nur noch die Übergangszeiten mit den entsprechenden Übergängen berücksichtigt werden müssen. Im Bild des Pfadintegralformalismus bedeutet dies, dass Anstelle des Integrals über alle Systempfade ein Produkt von Integrationen über alle möglichen Sprungzeiten mit Sprunggewichten entsprechend des Übergangs rückt, welches analytisch als auch numerisch wesentlich einfacher handzuhaben ist. Innerhalb dieser Näherung wurden dadurch in der Vergangenheit viele beeindruckende analytische Resultate abgeleitet. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Abbildung und dem Zusammenhang von dissipativen Modellen mit Feldmodellen aus der Quantenfeldtheorie und im besonderen der Feldtheorie statistischer Systeme. Der Reiz dieser Abbildungen liegt besonders darin, dass in den letztgenannten Gebieten schon seit Jahrzehnten sehr intensiv die grundlegenden Modelle bearbeitet wurden und vor allem auch nach neuen Methoden gesucht und Forschung dafür betrieben wurde und noch immer Gegenstand der aktuellen Forschung darstellt. Als Beispiel sei in zwei Dimensionen die Invarianz unter konformen Abbildungen genannt, welche immer dann Anwendung findet, wenn Systeme nur lokal wechselwirken und eine Invarianz unter lokaler Umskalierung der Felder zeigen. Bei statistischen Systemen mit lokaler Wechselwirkung zeigt sich dieses Verhalten immer beim Erreichen eines kritischen Punktes, da hier per Definition keine Längenskala ausgezeichnet ist. In zwei Dimensionen führt dies zu einer immensen Einschränkung der möglichen Form von Korrelationsfunktionen und hat zu dem eigenständigen Gebiet der Konformen Feldtheorie geführt, da konforme Abbildungen per Definition die lokale Struktur erhalten (Winkeltreue) und lokal nur zu einer Unskalierung führen. Während in D>2 Dimensionen nur endlich viele Generatoren für konforme Abbildungen existieren, ist deren Anzahl in 2 Dimensionen unendlich. Dies resultiert in einer unendlichen Anzahl von lokalen Erhaltungsgrößen mit den entsprechenden Folgen. Während solche Techniken sehr schnell unanschaulich werden, erlaubt die Abbildung auf dissipative Modelle hier oftmals eine sehr anschauliche Interpretation.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik der Verwendung von Quantencomputer. Die Hauptziele bilden dabei die Ermittlung des Minimum-Wissens zur Verwendung eines Quantencomputers, wobei das Verständnis gegenüber Quantenalgorithmen als Verwendung angesehen wird. Das zweite Ziel ist festzustellen, wann welches Wissen benötigt wird. Dadurch soll ein Überblick geschaffen werden und ersichtlich sein welche Themengebiete voneinander abhängig sind. Durch Literaturrecherche wurden die wichtigsten Themenbegriffe ermittelt und stetig mit der Dokumentation eines Praxisprojektes von Studierenden des Studienganges Informationsmanagement 2018 verglichen. Diese Projektarbeit beschäftigte sich mit der Evaluierung einer Plattform, wodurch Quantencomputer über das Internet erreicht werden können. Basierend auf den Ergebnissen der Recherche und Vergleiche entsteht eine Landkarte des Wissens in der Form einer Concept Map. Diese unterteilt sich in zwei Versionen wobei Version 2 eine Erweiterung der ersten darstellt. In der ersten Version sind alle Begriffe inkludiert, die im ersten Arbeitspaket des Praxisprojektes benötigt wurden um ein Grundverständnis zu entwickeln. Die zweite Version der Concept Map bildet die Finale Version und alle Erkenntnisse ab. Dabei werden alle Begriffe zum Verständnis für Quantenalgorithmen eingearbeitet. Mithilfe dieser Concept Map, ist es möglich das Minimum-Wissen anhand wichtiger Begrifflichkeiten zu extrahieren. Durch die gerichteten Beziehungen zwischen den Begriffen ist es möglich zu erkennen, welche Themen voneinander abhängig sind und daher festzustellen, welches Thema wann wichtig ist.