24.10.2023

Bücher zum Quantencomputing

Eine Auswahl empfehlenswerter Bücher zum Thema Quantencomputing und Quanteninformation

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„The World of the quantum may be bizarre, but it is our world and our future“, das schrieb der australische Physiker Gerard Milburn vor mehr als einem Vierteljahrhundert in seinem Buch Quantum Technology (Allen & Unwin, St. Leonards 1996), das vermutlich das erste war, das die Quantentechnologie einem breiteren Publikum vorstellte. Der Quantencomputer war damals nur eine Idee. Christopher Monroe und David Wineland hatten 1995 immerhin mit Ionen in einer Ionenfalle das allererste Quantengatter realisiert, das Controlled-NOT-Gate, basierend auf Vorschlägen von Ignacio Cirac und Peter Zoller.

Das seitdem viel passiert ist, beweisen die Artikel in Schwerpunktheft Quantencomputing (Physik Journal, November 2023). Wir haben die Autoren des Themenschwerpunkts nach maßgeblichen Büchern gefragt, die sich für das intensivere Studium des Quantencomputings eignen.

Als Klassiker und nach wie vor unverzichtbar gilt Quantum Computation and Quantum Information, das Michael A. Nielsen und Isaac L. Chuang bereits im Jahr 2000 veröffentlicht haben. 2010 erschien als Jubiläumsausgabe mit neuem Vorwort der Autoren, die das Werk in den Kontext stellt. Das umfangreiche Lehrbuch beschreibt Quantenalgorithmen, Quantenteleportation, Quantenkryptographie und Quantenfehlerkorrektur. Nach einer Einführung in die Quantenmechanik und -informatik beschreiben Nielsen und Chuang, was ein Quantencomputer ist, wie er eingesetzt werden kann, um Probleme schneller zu lösen als „klassische“ Computer und wie er in der Praxis eingesetzt wird. Das Buch schließt mit einer eingehenden Behandlung der Quanteninformation. Zahlreiche Abbildungen und Übungen ergänzen den Inhalt.

Quantum Information Theory von Mark Wilde legt den Schwerpunkt auf die „andere Seite“ der Quanteninformation und behandelt eher mathematische, grundlegende und Kommunikationsfragen. Wilde beginnt mit einem umfassenden Überblick über die klassische Informationstheorie, der auch für Nicht-Experten geeignet ist, und wendet sich dann der Quantenmechanik für die Quanteninformationstheorie und den wichtigen Protokollen der Teleportation, der superdichten Kodierung und der Verschränkungsverteilung zu. Er entwickelt alle Werkzeuge, die zum Verständnis wichtiger Ergebnisse der Quanteninformationstheorie notwendig sind, einschließlich der Kapazitätstheoreme für klassische, verschränkungsgestützte, private und Quantenkommunikation.

Das Buch Quantum Computing since Democritus von Scott Aaronson hat nicht den Charakter eines klassischen Lehrbuchs, sondern wartet mit einer weitgespannten Themenpalette auf. Der Quantencomputertheoretiker nimmt die Leser auf unterhaltsame Weise mit auf eine Reise durch einige der tiefsten Ideen der Mathematik, Informatik und Physik und spart auch nicht philosophischen Perspektiven aus. Er beginnt in der Antike mit Demokrit und führt über Logik und Mengenlehre, Berechenbarkeit und Komplexitätstheorie, Quantencomputer, Kryptographie, den Informationsgehalt von Quantenzuständen und die Interpretation der Quantenmechanik. Daneben diskutiert er sogar ausführlich Zeitreisen, das anthropische Prinzip und die Ansichten von Roger Penrose.

Das von Dagmar Bruß und Gerd Leuchs herausgegebene 2-bändige Werk Quantum Information – From Foundations to Quantum Technology Applications ist als umfassendes Handbuch angelegt. Die Beiträge von Forschenden aus der deutschen Community, darunter auch Autoren dieses Schwerpunkts, stellt die Grundlagen der Quanteninformation dar und berücksichtigt dabei den aktuellen Stand der Forschung und Entwicklung sowie die entstehenden und bereits realisierten Anwendungen der Quantentechnologie. Es deckt somit alle aktuellen Konzepte der Quanteninformatik ab, sowohl theoretisch als auch experimentell, bevor es zu den neuesten Implementierungen von Quantencomputern und Kommunikationsprotokollen übergeht. Das Buch richtet sich sowohl Physiker:innen in Hochschulen und Industrie sowie an Forschende in Materialwissenschaft, Ingenieur:innen und Informatiker:innen, die auf dem Gebiet der Quanteninformation arbeiten.

Quantum Computing –  A Gentle Introduction von Eleanor G. Rieffel und Wolfgang H. Polak ist eine gründliche Darstellung des Quantencomputings und der zugrundeliegenden Konzepte der Quantenphysik, mit Erklärungen der relevanten Mathematik und zahlreichen Beispielen. Es dosiert den Überlapp mit der Informatik gut und ist genauer und sorgfältiger als viele Physikbücher selbst in der Theorie, hat aber nicht den formalistischen Ballastvon Mathe- und Informatikbüchern.

David Mermins Buch Quantum Computer Science ist knapp und schlaglichtartig angelegt. Das Material ist hervorragend gut kuratiert und bietet somit eine prägnante Einführung in das Quantencomputing, ohne dass ein Hintergrundwissen in Physik vorausgesetzt wird. Es beginnt mit einer Einführung in die Quantentheorie aus der Perspektive der Computerwissenschaft und veranschaulicht den Ansatz der Quanteninformatik anhand einiger elementarer Beispiele für Quantenbeschleunigung, bevor es zu den wichtigsten Anwendungen übergeht: Shors Faktorisierungsalgorithmus, Grovers Suchalgorithmus und Quantenfehlerkorrektur. Das Buch richtet sich in erster Linie an Informatiker, die nichts über die Quantentheorie wissen, ist aber auch für Physiker interessant, die die Theorie der Quantenberechnung erlernen wollen. Statt des üblichen „Qubit“ wird „QBit“ verwendet, doch das ist angesichts der Qualität des Buches verzeihlich.

Ein ideales deutschsprachiges Buch für Einsteiger ist Quantum Computing verstehen von Matthias Homeister. Es zeichnet sich durch einen didaktischen Aufbau und gute Lesbarkeit aus und ist dennoch hinreichend anspruchsvoll, um damit Studenten höherer Semester sowie Doktoranden und Postdocs erfolgreich an das Thema heranzuführen. Anschaulich und auf Beispiele gestützt führt dieses Buch in die Grundlagen des Quantum Computing ein. Was ein Quantencomputer ist und was er kann wird anhand von Algorithmen erläutert, also anhand von konkreten Rechenverfahren. Dieser an den Grundlagen orientierte Zugang soll Leserinnen und Leser befähigen, aktuelle und auch künftige Entwicklungen einzuordnen. Das Buch erscheint in der Reihe „Computational Intelligence“. Für die 6. Auflage wurde das Buch vollständig durchgesehen und aktualisiert.

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