Quantensimulation


Wer sich jetzt schon näher anschaulich mit Quantencomputing beschäftigen möchte, hat die Möglichkeit mit Simulatoren einen guten Einstieg in die Welt der QuBits, Quantennetze und abhörsichere Quantenprotokolle zu gewinnen. Der Artikel bietet praktische Beispiele zu Simulationssoftware und Plattformen. Der Begriff und das Feld der Quantensimulation ist noch relativ jung, auch wenn erste Ideen scheinbar bis zur Erkenntnis von Richard Feynman[↓] zurückreichen, welcher erkannte, dass die Rechenleistung herkömmlicher Computer nicht ausreicht, um komplexe Quantensysteme zu berechnen, sondern dass es ein „einfacheres“ Quantensystem als „Simulator“ benötigt, um ein deutlich komplexeres System nachzubilden. Ein wichtiger Schritt hin zu universellen Quantencomputern.
Wie bereits erwähnt werden Quantensimulatoren oft analog angewendet, mit Systemen, die versuchen Quanteneffekte durch einfachere, leichter zu kontrollierende, analoge Hardware-Systeme nachzubauen.
Hier soll es aber um softwarebasierte Simulatoren gehen, und zwar um Software, mit der man speziell verschiedene Ebenen der Quantenkommunikation nachstellen kann.
Simulator Zugang Simulator besonders geeignet für
IBM Quantum[↓]/Qiskit[↓]

Die Onlineplattform IBM Quantum/Qiskit ermöglicht nicht nur eigens kreierte Quantenschaltungen auf echter Quantenhardware auszuführen, sondern auch, ausschließlich im Webbrowser zu arbeiten, da bereits alle benötigten Tools onboard sind.

Webbasierte Plattform mit Quantenhardware/Selbstinstallation Schaltungen
Quantum Network Explorer[↓]

Der Quantum Network Explorer ist ein von QuTech entwickeltes Online-Tool zum Simulieren und Programmieren und ist besonders geeignet für verteilte Anwendungen. Es sind bereits Beispiele vorhanden, sodass weder eine Installation noch das Programmieren eigener Circuits notwendig ist. Das Tool ist rein webbasiert und verfügt über eine übersichtliche Visualisierung.

Webbasierte Plattform Netzwerke
QKDSimulator[↓]

Zum Testen und Visualisieren eines Quantenschlüsselaustauschs (BB84-Protokoll). Auf dieser Plattform lassen sich verschiedene Parameter für den Schlüsselaustausch über eine grafische Benutzeroberfläche einstellen. Durch einfache Schieberegler lassen sich Parameter zur Konfiguration des Quantenkanals flexibel einstellen.

Webbasierte Plattform Spezielle Anwendungen/QKD
SQUANCH[↓]

SQUANCH ermöglicht das Erstellen von Netzwerktopologien und das Testen von Protokollen, besitzt aber auch Werkzeuge um Quantentechnologie auf Schaltungsebene zu simulieren.

Selbstinstallation Schaltungen, Netzwerke
QuNetSim[↓]

QuNetSim eignet sich zum schnellen und einfachen Testen von Protokollen. Die Software simuliert die Netzwerkschicht in einem Quantennetz, ohne dass sich der Benutzer um das Routing zwischen den Hosts kümmern muss. Zudem verfügt der Simulator über Mechanismen zur Kontrolle der Synchronisation im Netz.

Selbstinstallation Netzwerke
SeQUeNCe[↓]

SeQUeNCe ist ein frei erhältlicher Open Source Simulator, mit dem sich Einflussfaktoren wie Zeit und Dämpfung auf die Erzeugung und Übertragung von Quantenzuständen in Netzwerken simulieren lässt. Geeignet um Abläufe in der Hardware- und Verbindungsschicht zu testen.

Selbstinstallation Spezielle Anwendungen/Hardware

Literatur

[↑]Feynman, R.P. Simulating physics with computers. Int J Theor Phys 21, 467–488 (1982). https://doi.org/10.1007/BF02650179
[↑]IBM Quantum https://quantum-computing.ibm.com/
[↑]Qiskit https://qiskit.org/
[↑]Quantum Network Explorer (QNE) https://www.quantum-network.com/
[↑]QKD Simulator https://www.qkdsimulator.com/
[↑]SQUANCH https://att-innovate.github.io/squanch/index.html
[↑]QuNetSim https://tqsd.github.io/QuNetSim/
[↑]SeQUeNCe https://sequence-toolbox.github.io/