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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Qubits und insbesondere auf das Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits.
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Anstatt klassische (binäre) Bits zu verwenden, verwenden Quantencomputer Qubits, die in Überlagerungen von Zuständen vorliegen können. Wo ein klassisches Bit einen von zwei Werten annehmen kann, nämlich 1 oder 0, kann ein Qubit jeden beliebigen Wert aus einer unendlichen Anzahl von Werten annehmen. In der Quanteninformatik ist ein Qubit (oder Quantenbit) die Grundeinheit der Quanteninformation, d. h. die Quantenversion des klassischen binären Bits, die mit einem Gerät mit zwei Zuständen physikalisch verwirklicht wird. Ein Qubit ist ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen (oder zwei Ebenen), eines der einfachsten Quantensysteme, das die Besonderheit der Quantenmechanik anzeigt.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein computer-implementiertes Verfahren zum Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits offenbart. Das computer-implementierte Verfahren beinhaltet die Ermittlung eines Punktes in einer Bloch-Kugel auf Grundlage des Qubits, wobei der Punkt durch einen Wert der Kobreite (theta) in Bezug auf die z-Achse der Bloch-Kugel und einen Wert der Länge (phi) in Bezug auf die x-Achse der Bloch-Kugel definiert ist. Das computer-implementierte Verfahren beinhaltet ferner das Umwandeln des Wertes der Kobreite (colatitude) (theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums. Das computer-implementierte Verfahren beinhaltet ferner das Umwandeln des Wertes der Länge (longitude) (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt zum Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits offenbart. Das Computerprogrammprodukt beinhaltet ein oder mehrere computerlesbare Speichermedien und Programmanweisungen, die auf dem einen oder den mehreren computerlesbaren Speichermedien gespeichert sind. Die Programmanweisungen beinhalten Anweisungen zum Ermitteln eines Punktes in einer Bloch-Kugel auf Grundlage des Qubits, wobei der Punkt durch einen Wert der Kobreite (Theta) in Bezug auf die z-Achse der Bloch-Kugel und einen Wert der Länge (Phi) in Bezug auf die x-Achse der Bloch-Kugel definiert ist. Die Programmanweisungen beinhalten ferner Anweisungen zum Umwandeln des Wertes der Kobreite (theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums. Die Programmanweisungen umfassen ferner Anweisungen zum Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Computersystem zum Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits offenbart. Das Computersystem beinhaltet ein oder mehrere Computersysteme, die einen oder mehrere Computerprozessoren, ein oder mehrere computerlesbare Speichermedien und Programmanweisungen umfassen, die auf den computerlesbaren Speichermedien zur Ausführung durch mindestens einen der einen oder mehreren Prozessoren gespeichert sind. Die Programmanweisungen beinhalten Anweisungen zum Ermitteln eines Punktes in einer Bloch-Kugel auf Grundlage des Qubits, wobei der Punkt durch einen Wert der Kobreite (Theta) in Bezug auf die z-Achse der Bloch-Kugel und einen Wert der Länge (phi) in Bezug auf die x-Achse der Bloch-Kugel definiert ist. Die Programmanweisungen beinhalten ferner Anweisungen zum Umwandeln des Wertes der Kobreite (theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums. Die Programmanweisungen umfassen ferner Anweisungen zum Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums.
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Figurenliste
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Unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen werden hier bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die lediglich als Beispiel zu verstehen sind, wobei:
- 1 eine Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits, allgemein mit 100 bezeichnet, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
- 2 ein Blockschaubild einer verteilten Datenverarbeitungsumgebung, allgemein mit 200 bezeichnet, geeignet für die Operation eines Qubit-Darstellungsprogramms 101 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
- 3 ein Ablaufdiagramm ist, das Operationsschritte zum Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits durch das Qubit-Darstellungsprogramm 101, allgemein als 300 bezeichnet, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 4 ein Diagramm einer beispielhaften Quantenschaltung, allgemein mit 400 bezeichnet, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindungbist ist;
- 5 ein Blockschaubild ist, das Komponenten eines Computergeräts, allgemein mit 500 bezeichnet, darstellt, das zur Ausführung eines Qubit-Darstellungsprogramms 101 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
- 6 ein Blockschaubild ist, das eine Cloud-Computing-Umgebung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
- 7 ein Blockschaubild ist, das Abstraktionsmodellschichten gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die möglichen Quantenzustände für ein einzelnes Qubit können unter Verwendung einer Bloch-Kugel visualisiert werden. Als Beispiel stellt 1 eine Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits, allgemein mit 100 bezeichnet, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 1 veranschaulicht lediglich eine Ausführungsform und stellt keine Einschränkung bezüglich der Umgebungen dar, in denen unterschiedliche Ausführungsformen realisiert werden können. Der Fachmann kann zahlreiche Modifikationen an der dargestellten Umgebung vornehmen, ohne von dem in den Ansprüchen angegebenen Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Oberfläche der Bloch-Kugel ein zweidimensionaler Raum, der den Zustandsraum der reinen Qubitzustände repräsentiert. Auf einer solchen 2-Kugel kann sich ein klassisches Bit lediglich am „Nordpol“ oder am „Südpol“ befinden, und zwar an den Stellen, wobei | 0> und | 1> jeweils vorhanden sind. Diese besondere Wahl der Polarachse ist jedoch willkürlich. Der Rest der Oberfläche der Bloch-Kugel ist für ein klassisches Bit unzugänglich, aber ein reiner Qubit-Zustand kann durch jeden Punkt auf der Oberfläche dargestellt werden. Dementsprechend ist der Wert eines Qubits ein Vektor innerhalb der Bloch-Kugel, und er kann jeden beliebigen Vektor innerhalb dieser Kugel annehmen, solange er vom Ursprung ausgeht und die Länge eins (1) hat. Wie ferner in 1 dargestellt, ist ein Beispiel für den Wert eines Qubits abgebildet. Der Wert des Qubits kann eindeutig durch die beiden in 1 dargestellten Winkel beschrieben werden, nämlich durch die Kobreite in Bezug auf die z-Achse, bezeichnet mit θ (theta), und die Länge in Bezug auf die x-Achse, bezeichnet mit Φ (phi).
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Quantenoperatoren (oder Quantengatter) bewegen den Vektor auf der Bloch-Kugel. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erkennen jedoch, dass die Bewegung des Vektors um die Bloch-Kugel für einen Beobachter schwer zu verstehen oder zu visualisieren sein kann. Dementsprechend erkennen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass es schwierig sein kann, zu verstehen oder zu würdigen, wie ein Quantenoperator oder ein Quantengatter den Zustand eines Qubits (z. B. während der Ausführung eines Quantenprogramms) beeinflusst.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen die Erzeugung einer sensorischen Darstellung eines Qubit-Zustandes bereit (z. B. eine Ausgabe eines Quanten-Computersystems), die es einem Benutzer ermöglicht, zu verstehen und/oder zu würdigen, wie eine Quantenoperation den Zustand eines Qubits beeinflusst.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Darstellung eines Qubits auf einen anderen Ausgaberaum als den der Bloch-Kugel abgebildet (z. B. umgewandelt). Insbesondere werden in verschiedenen Ausführungsformen die Werte, die zur Darstellung eines Qubits in der Bloch-Kugel verwendet werden, nämlich θ (theta) und Φ (phi), auf entsprechende Werte der ersten und zweiten Variablen eines unterschiedlichen Ausgaberaums abgebildet. Auf diese Weise stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine alternative oder unterschiedliche Darstellung des Qubits bereit, die es einem Beobachter deutlicher macht, wie ein Quantenoperator (z. B. ein Tor) den Zustand des Qubits beeinflusst. Dementsprechend ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einem Benutzer ein besseres Verständnis oder eine bessere Gewürdigung von Änderungen des Zustands eines Qubits während der Ausführung eines vollständigen Quantenprogramms.
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In einigen Ausführungsformen werden die Winkel, die das Qubit darstellen - die Kobreite (Theta) in Bezug auf die z-Achse der Bloch-Kugel und die Länge (Phi) in Bezug auf die x-Achse der Bloch-Kugel - auf einen aussagekräftigeren sensorischen Ausgaberaum abgebildet. Der sensorische Ausgaberaum kann zum Beispiel einen Farbausgaberaum, einen taktilen Ausgaberaum, einen auditiven Ausgaberaum usw. beinhalten. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Darstellung eines Qubits als sensorische Ausgabe bereitgestellt, die für einen Benutzer leichter zu verstehen und/oder zu würdigen ist, wenn sich ein Wert des Qubits ändert. Dies kann ein besseres Verständnis dafür ermöglichen, wie sich ein Qubit-Zustand als Ergebnis einer oder mehrerer Quantenoperationen, die auf das Qubit angewendet werden, ändert.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist die Umwandlung einer Darstellung eines Qubits in der Bloch-Kugel-Darstellung in einen alternativen sensorischen Raum (z.B. Farbraum oder auditiver Ausgaberaum) so konfiguriert, dass Vektoren, die auf der Bloch-Kugel-Darstellung nahe beieinander liegen, im alternativen sensorischen Ausgaberaum ähnliche Werte aufweisen (z.B. ähnliche Farben eines Farbton-Sättigungs-Wertes (Hue Saturation Value, HSV) Farbraums). Dies kann dem Benutzer helfen, zu verstehen (z. B. visuell oder akustisch), wie eine Quanten Operation den Zustand eines Qubits beeinflusst.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits auf jeden anderen geeigneten sensorischen Ausgaberaum abgebildet (z. B. umgewandelt) werden, der zwei oder mehr Parameter hat, die sinnvoll miteinander verknüpft werden können. In der Bloch-Kugel gibt es zum Beispiel zwei freie Parameter, Theta und Phi, und der dritte Parameter, die Länge des Vektors, ist fest. Der sensorische Ausgaberaum einer Ausführungsform kann also zwei oder mehr Parameter umfassen, die verschiedene Werte haben können. Ein Beispiel hierfür könnte der Klang sein, wobei die beiden freien/variablen Parameter Tonhöhe und Lautstärke sind und der feste Wert ein Ort sein könnte, von dem der Klang kommt. Als Beispiel wird ein Wert von Theta auf einen Wert der Tonhöhe und ein Wert von Phi auf einen Wert der Lautstärke abgebildet. Dementsprechend kann in einer Ausführungsform der sensorische Ausgaberaum eine dritte Variable beinhalten. Das Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits beinhaltet ferner, dass der Wert der dritten Variablen gleich einem vorgegebenen konstanten Wert ist.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung helfen Anfängern zu verstehen, wie Quantenoperatoren den Zustand eines Qubits beeinflussen. Außerdem kann die Einstellung von Skalierungsfaktoren, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei der Umwandlung einer Darstellung eines Qubits in der Bloch-Kugel in einen alternativen sensorischen Raum verwendet werden, fortgeschrittenen Benutzern helfen, zwischen Qubitzuständen zu unterscheiden, die in der Bloch-Kugel nahe beieinander liegen. Als Beispiel kann der sensorische Ausgaberaum einer Ausführungsform einen Farbraum beinhalten. Hier wird eine visuelle Darstellung eines Qubits erzeugt, die sich von einer Bloch-Kugel-Darstellung unterscheidet, bei der die visuelle Darstellung Farbwerte zur Darstellung und/oder Unterscheidung von Qubitzuständen verwendet.
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In einer Ausführungsform umfasst der sensorische Ausgaberaum zum Beispiel einen Farbton-Sättigungs-Wert (HSV)-Raum. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Umwandeln des Wertes der Kobreite (Theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums das Umwandeln des Wertes der Kobreite (Theta) in einen Wert „Wert“ für den HSV-Raum. In ähnlicher Weise umfasst das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert „Farbton“ („Hue“) für den HSV-Raum. Anders ausgedrückt, eine Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits wird auf einen HSV-Farbraum abgebildet, wobei die Abbildung durch Umwandeln der Werte von theta und phi in Werte von „Wert“ bzw. „Farbton“ des Farbraums erreicht wird.
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Als Beispiel kann das Umwandeln des Wertes der Kobreite (theta) in einen Wert für den HSV-Raum das Dividieren des Wertes der Kobreite (theta) durch pi beinhalten. In ähnlicher Weise kann das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert des „Farbtons“ für den HSV-Raum das Dividieren des Wertes der Länge (phi) durch 2*pi beinhalten. Dementsprechend werden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relativ einfache mathematische Operationen verwendet, die auf billige und einfache Weise verwendet werden können, wodurch die Kosten und/oder Komplexitätsanforderungen für die Erzeugung sensorischer Darstellungen von Qubits minimiert werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist der Wert der „Sättigung“ („Saturation“) für den HSV-Raum so definiert, dass er gleich einem vorbestimmten konstanten Wert ist. Als Beispiel kann der vorbestimmte konstante Wert gleich eins sein. Dementsprechend wird in dem/den beschriebenen Beispiel(en) eine Darstellung eines Qubits im HSV-Zylinder bereitgestellt. Dies kann erreicht werden, indem der Winkel theta aus der Bloch-Kugel-Darstellung des Qubits in „Wert“ für den HSV-Raum umgewandelt wird, und indem der Winkel phi aus der Bloch-Kugel-Darstellung des Qubits in „Farbton“ für den HSV-Raum umgewandelt wird. Die „Sättigung“ kann als konstanter Wert, z. B. eins (1), beibehalten werden, da alle Vektoren in der Bloch-Kugel die Länge eins (1) haben müssen.
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In einigen Ausführungsformen wird ferner ein Skalierungsfaktor auf mindestens einen der Werte der ersten und zweiten Variablen angewandt. So können beispielsweise während der Umwandlung Einstellungen vorgenommen werden, falls dies erforderlich oder gewünscht ist. Zum Beispiel wird in vielen Quantenschaltungen viel Zeit damit verbracht, wobei der Vektor parallel zur x-Achse in der Bloch-Kugel liegt, und dies kann auf einen „Wert“ von ½ im HSV-Farbraum abgebildet werden. Dies kann dazu führen, dass die Farben für einige Geräte zu dunkel sind, so dass die Ausgabe immer noch aussagekräftig sein kann, wenn der „Wert“ skaliert (z. B. mit 1,2 multipliziert) wird, um die Farbe heller erscheinen zu lassen (aber auf 1 begrenzt wird, da dies der höchste in einer HSV-Abbildung zulässige Wert ist).
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In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem sensorischen Ausgaberaum um eine akustische (z. B. hörbare) Ausgabe. In solchen Ausführungsformen beinhaltet das Umwandeln des Wertes der Kobreite (Theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums das Umwandeln des Wertes der Kobreite (Theta) in einen Wert eines ersten Parameters für Klang. In ähnlicher Weise umfasst das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert eines zweiten, unterschiedlichen Parameters für Klang. Statt einer visuellen Darstellung eines Qubits in einigen Ausführungsformen erzeugen andere Ausführungsformen eine akustische Darstellung eines Qubits. Solche Ausführungsformen können besonders vorteilhaft für Benutzer sein, die farbenblind oder sehbehindert sind oder es aus anderen Gründen schwierig finden, einen Unterschied zwischen visuellen Darstellungen des Zustands eines Qubits zu erkennen.
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In einigen Ausführungsformen ist der sensorische Ausgaberaum eine taktile Ausgabe. In solchen Ausführungsformen beinhaltet das Umwandeln des Wertes der Kobreite (Theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums das Umwandeln des Wertes der Kobreite (Theta) in einen Wert eines ersten Parameters einer taktilen Ausgabe. In ähnlicher Weise umfasst das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums die Umwandlung des Wertes der Länge (phi) in einen Wert eines zweiten, unterschiedlichen Parameters der taktilen Ausgabe. Auf diese Weise wird eine taktile Darstellung eines Qubits erzeugt. Solche Ausführungsformen können besonders vorteilhaft für Benutzer sein, die taub oder sehbehindert sind oder es aus anderen Gründen schwierig finden, einen Unterschied zwischen visuellen und/oder akustischen Darstellungen des Zustands eines Qubits zu erkennen.
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Dementsprechend erzeugen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung alternative Darstellungen von Qubits in unterschiedlichen sensorischen Ausgaberäumen. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits in eine visuelle, akustische, taktile usw. Darstellung umgewandelt, die für einen Benutzer einfacher zu verstehen und/oder Änderungen des Zustands eines Qubits wahrzunehmen sein kann. In diesen Ausführungsformen wird auf Grundlage des Qubits ein Punkt in einer Bloch-Kugel ermittelt, wobei der Punkt durch einen Wert der Kobreite (Theta) in Bezug auf die z-Achse der Bloch-Kugel und einen Wert der Länge (phi) in Bezug auf die x-Achse der Bloch-Kugel definiert ist. Die Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits wird in eine alternative Darstellung in einem unterschiedlichen sensorischen Ausgaberaum umgewandelt. Insbesondere wandeln verschiedene Ausführungsformen den Wert der Kobreite (Theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums um, und wandeln den Wert der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums um.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen daher ein Werkzeug bereit, mit dem man eine alternative Darstellung eines Qubits erhält. Eine solche alternative Darstellung ermöglicht es einem Benutzer, ein besseres Verständnis dafür zu gewinnen, wie eine Quantenoperation ein Qubit beeinflusst, da die alternative Darstellung als verschiedene Typen von sensorischen Ausgaben bereitgestellt werden kann, die es einem Benutzer ermöglichen, Änderungen im Zustand eines Qubits leichter wahrzunehmen. In verschiedenen Ausführungsformen werden Werte einer Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits in Werte der entsprechenden Parameter eines anderen visuell, auditiv und/oder taktil wahrnehmbaren Ausgaberaums umgewandelt. Die von diesen verschiedenen Ausführungsformen bereitgestellten Ausgaberäume beinhalten also eine Darstellung eines Qubits, die von einem menschlichen Sinnesorgan wahrgenommen werden kann. Als Beispiel kann der sensorische Ausgaberaum einen oder mehrere Farbräume (wie einen HSV- oder HSL-Farbraum), einen auditiven Raum (wie Audio/Ton) und einen taktilen Raum umfassen, die ein besseres Verständnis von Quantenschaltungen oder -systemen erleichtern. So stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein besseres Verständnis von Quantenschaltungen und/oder Quantensystemen bereit, indem sie Darstellungen von Qubits in einem sensorischen Ausgaberaum erzeugen, der es dem Benutzer erleichtert, Änderungen im Zustand eines Qubits wahrzunehmen.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich um ein System, ein Verfahren und/oder ein Computerprogrammprodukt handeln. Das Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Speichermedium (oder -medien) mit computerlesbaren Programmanweisungen darauf enthalten, die bewirken, dass ein Prozessor Aspekte der vorliegenden Erfindung ausführt.
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Das computerlesbare Speichermedium kann eine materielle Einheit sein, die Anweisungen zur Nutzung durch eine Einheit zur Anweisungsausführung enthalten und speichern kann. Bei dem computerlesbaren Speichermedium kann es sich beispielsweise um eine elektronische Speichereinheit, eine magnetische Speichereinheit, eine optische Speichereinheit, eine elektromagnetische Speichereinheit, eine Halbleiterspeichereinheit oder eine geeignete Kombination aus dem Vorhergehenden handeln, ohne auf diese beschränkt zu sein. Eine nicht umfassende Liste konkreterer Beispiele für das computerlesbare Speichermedium beinhaltet Folgendes: eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flashspeicher), einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM), einen tragbaren Compact-Disc-Nur-Lese-Speicher (CD-ROM), eine Digital Versatile Disk (DVD), einen Speicherstick, eine Diskette, eine mechanisch codierte Einheit wie Lochkarten oder erhabene Strukturen in einer Rille mit darin aufgezeichneten Anweisungen und jede geeignete Kombination aus dem Vorhergehenden. Ein wie im vorliegenden Dokument verwendetes computerlesbares Speichermedium soll nicht als transiente Signale an sich ausgelegt werden, beispielsweise Funkwellen oder andere sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Wellenleiter oder andere Übertragungsmedien ausbreiten (z. B. Lichtimpulse, die ein Lichtleiterkabel durchlaufen), oder durch eine Leitung übertragene elektrische Signale.
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Im vorliegenden Dokument beschriebene computerlesbare Programmanweisungen können von einem computerlesbaren Speichermedium auf jeweilige Datenverarbeitungs/Verarbeitungs-Einheiten oder über ein Netzwerk, beispielsweise das Internet, ein lokales Netz, ein Weitverkehrsnetz und/oder ein Funknetz, auf einen externen Computer oder eine externe Speichereinheit heruntergeladen werden. Das Netzwerk kann Kupferübertragungskabel, Lichtwellenleiter, eine drahtlose Übertragung, Router, Firewalls, Switches, Gateway-Computer und/oder Edgeserver aufweisen. Eine Netzadapterkarte oder Netzschnittstelle in jeder Datenverarbeitungs/Verarbeitungs-Einheit empfängt aus dem Netzwerk computerlesbare Programmanweisungen und leitet die computerlesbaren Programmanweisungen zum Speichern in einem computerlesbaren Speichermedium in der jeweiligen Datenverarbeitungs/Verarbeitungs-Einheit weiter.
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Computerlesbare Programmanweisungen zum Ausführen von Funktionen der vorliegenden Erfindung können Assembler-Anweisungen, Anweisungen in einer Befehlssatzarchitektur (instruction set architecture, ISA), Maschinenanweisungen, maschinenabhängige Anweisungen, Mikrocode, Firmwareanweisungen, Zustandseinstelldaten oder entweder Quellcode oder Objektcode sein, der in jeder Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben ist, darunter eine objektorientierte Programmiersprache wie Smalltalk, C++ oder Ähnliches, und herkömmliche prozedurale Programmiersprachen wie die Programmiersprache „C“ oder ähnliche Programmiersprachen. Die computerlesbaren Programmanweisungen können vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Softwarepaket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem fernen Computer oder vollständig auf dem fernen Computer oder Server ausgeführt werden. In letzterem Fall kann der ferne Computer mit dem Computer des Benutzers über jede Art von Netzwerk verbunden sein, unter anderem ein lokales Netz (LAN) oder ein Weitverkehrsnetz (WAN), oder die Verbindung kann zu einem externen Computer erfolgen (beispielsweise per Internet über einen Internet-Diensteanbieter). In einigen Ausführungsformen können elektronische Schaltungen, darunter beispielsweise programmierbare logische Schaltungen, feldprogrammierbare Gate Arrays (FPGA) oder programmierbare Logik-Arrays (PLA), die computerlesbaren Programmanweisungen ausführen, indem sie Zustandsinformationen der computerlesbaren Programmanweisungen zum individuellen Gestalten der elektronischen Schaltungen verwenden, damit Aspekte der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung sind im vorliegenden Dokument unter Bezug auf Ablaufplandarstellungen und/oder Blockschaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß den Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Ablaufplandarstellungen und/oder Blockschaubilder und Kombinationen aus Blöcken in den Ablaufplandarstellungen und/oder Blockschaubildern mit computerlesbaren Programmanweisungen implementiert sein kann bzw. können.
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Diese computerlesbaren Programmanweisungen können einem Prozessor eines Allzweck-Computers, eines Computers für besondere Zwecke oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung zur Herstellung einer Maschine bereitgestellt werden, sodass die Anweisungen, die über den Prozessor des Computers oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zum Implementieren der Funktionen/Handlungen erzeugen, die in dem Block oder den Blöcken der Ablaufpläne und/oder Blockschaubilder angegeben sind. Diese computerlesbaren Programmanweisungen können auch in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert werden, das einen Computer, eine programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Einheiten anweisen kann, auf eine besttimte Weise zu funktionieren, sodass das computerlesbare Speichermedium, in dem Anweisungen gespeichert sind, einen Herstellungsgegenstand aufweist, der Anweisungen enthält, die Aspekte der Funktion/Handlung realisieren, die in dem Block oder den Blöcken der Ablaufpläne und/oder Blockschaubilder angegeben ist.
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Die computerlesbaren Programmanweisungen können auch in einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder andere Einheit geladen werden, um zu bewirken, dass eine Reihe von Arbeitsschritten auf dem Computer, der anderen programmierbaren Vorrichtung oder der anderen Einheit ausgeführt wird, um einen auf einem Computer realisierten Prozess zu erzeugen, sodass die Anweisungen, die auf dem Computer oder der anderen programmierbaren Vorrichtung oder der anderen Einheit ausgeführt werden, die Funktionen/Handlungen realisieren, die in dem Block oder den Blöcken des Ablaufplans und/oder Blockschaubilder angegeben sind.
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Die Ablaufpläne und Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Funktionsweise möglicher Realisierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaubildern ein Modul, Segment oder einen Anweisungsbestandteil darstellen, das bzw. der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Realisierung der angegebenen Logikfunktion(en) aufweist. Bei einigen Realisierungsalternativen können die in dem Block angegebenen Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren angegeben vorkommen. Zwei hintereinander dargestellte Blöcke können beispielsweise in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, je nach der betreffenden Funktionalität. Es sei auch festgehalten, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder Ablaufplandarstellung und Kombinationen aus Blöcken in den Blockschaubildern und/oder der Ablaufplandarstellung durch Systeme auf der Grundlage von Hardware für besondere Zwecke realisiert sein kann bzw. können, die die angegebenen Funktionen oder Handlungen ausführen, oder Kombinationen aus Hardware für besondere Zwecke und Computeranweisungen ausführen.
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Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung aufgeführt, sollen jedoch nicht gesamthaft stehen für bzw. begrenzt sein auf die offenbarten Ausführungsformen. Für Fachleute werden viele Abänderungen und Abweichungen ersichtlich sein, ohne von dem Umfang und dem Gedanken der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Es sollte auch klar sein, dass in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um das gleiche oder ein ähnliches Teil anzugeben. Darüber hinaus wird die hierin verwendete Terminologie gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung von auf dem Markt vorgefundenen Technologien bestmöglich zu erläutern oder um es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 2 ist ein Blockschaubild einer verteilten Datenverarbeitungsumgebung, allgemein mit 200 bezeichnet, die sich für die Operation des Qubit-Darstellungsprogramms 101 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eignet. 2 veranschaulicht lediglich eine Ausführungsform und stellt keine Einschränkung bezüglich der Umgebungen dar, in denen unterschiedliche Ausführungsformen implementiert werden können. Der Fachmann kann zahlreiche Modifikationen an der dargestellten Umgebung vornehmen, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.
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Wie in 2 dargestellt, beinhaltet die verteilte Datenverarbeitungsumgebung 200 das Qubit-Darstellungsprogramm 101, einen ersten Server 204, einen zweiten Server 206, eine Speichereinheit 208, ein Client-Gerät 210, ein Client-Gerät 212 und ein Client-Gerät 214, die über ein Netzwerk 202 miteinander verbunden sind. In Ausführungsformen der Erfindung kann das Netzwerk 202 ein Telekommunikationsnetzwerk, ein lokales Netzwerk (LAN), ein Weitverkehrsnetzwerk (WAN), wie z.B. das Internet, oder eine Kombination der drei sein und kann drahtgebundene, drahtlose oder faseroptische Verbindungen beinhalten. Das Netzwerk 202 kann ein oder mehrere drahtgebundene und/oder drahtlose Netzwerke beinhalten, die in der Lage sind, Daten-, Sprach- und/oder Videosignale zu empfangen und zu übertragen, einschließlich Multimediasignale, die Sprach-, Daten- und Videoinformationen enthalten. Im Allgemeinen kann das Netzwerk 202 eine beliebige Kombination von Verbindungen und Protokollen sein, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Programmen, Geräten und/oder Computern innerhalb der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 unterstützen.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind der erste Server 204 und der zweite Server 206 Computergeräte, bei denen es sich um ein eigenständiges Gerät, einen Verwaltungsserver, einen Webserver, ein mobiles Gerät oder ein anderes elektronisches Gerät oder Computersystem handeln kann, das in der Lage ist, Daten zu empfangen, zu senden und zu verarbeiten. In anderen Ausführungsformen sind der erste Server 204 und der zweite Server 206 Server-Computing-Systeme unter Verwendung mehrerer Computer als ein Serversystem, beispielsweise in einer Cloud-Computing-Umgebung. In einer Ausführungsform stellen der erste Server 204 und der zweite Server 206 ein Computersystem unter Verwendung von geclusterten Computern und Komponenten (z. B. Datenbankserver-Computer, Anwendungsserver-Computer, Webserver-Computer usw.) dar, die beim Zugriff innerhalb der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 als ein einziger Pool nahtloser Ressourcen fungieren. Im Allgemeinen stellen der erste Server 204 und der zweite Server 206 ein beliebiges programmierbares elektronisches Gerät oder eine Kombination programmierbarer elektronischer Geräte dar, die in der Lage sind, maschinenlesbare Programmanweisungen auszuführen und mit verschiedenen dargestellten Computergeräten (und anderen nicht dargestellten Computergeräten) innerhalb der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 über ein Netzwerk, wie z. B. das Netzwerk 202, zu kommunizieren. Zum Beispiel stellen der erste Server 204 und/oder der zweite Server 206 dem Client-Gerät 210, dem Client-Gerät 212 und dem Client-Gerät 214 Daten bereit, wie z. B. Boot-Dateien, Betriebssystem-Images und Anwendungen. Obwohl das Qubit-Darstellungsprogramm 101 in 2 als in den ersten Server 204 integriert dargestellt ist, befindet sich das Qubit-Darstellungsprogramm 101 in alternativen Ausführungsformen an einem vom ersten Server 204 entfernten Ort.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind das Client-Gerät 210, das Client-Gerät 212 und das Client-Gerät 214 Computergeräte, die ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Netbook-Computer, ein Personal Computer (PC), ein Desktop-Computer, ein Personal Digital Assistant (PDA), ein Smartphone, eine Smartwatch oder ein beliebiges programmierbares elektronisches Gerät sein können, das in der Lage ist, Daten zu empfangen, zu senden und zu verarbeiten. Im Allgemeinen stellen das Client-Gerät 210, das Client-Gerät 212 und das Client-Gerät 214 beliebige programmierbare elektronische Einheiten oder eine Kombination programmierbarer elektronischer Einheiten dar, die in der Lage sind, maschinenlesbare Programmanweisungen auszuführen und mit verschiedenen dargestellten Computergeräten (und anderen nicht dargestellten Computergeräten) innerhalb der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 über ein Netzwerk, wie z. B. das Netzwerk 202, zu kommunizieren.
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In verschiedenen Ausführungsformen erlauben das Client-Gerät 210, das Client-Gerät 212 und das Client-Gerät 214 einem Benutzer, Daten von der Speichereinheit 208 über den ersten Server 204 und/oder den zweiten Server 206 zu senden, zu empfangen oder anderweitig darauf zuzugreifen. Das Client-Gerät umfasst außerdem eine Benutzereinheit, die eine Schnittstelle zwischen den verschiedenen dargestellten Computergeräten (und zusätzlichen, nicht dargestellten Computergeräten) innerhalb der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 bereitstellt. In einigen Ausführungsformen kann die Benutzerschnittstelle eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) oder eine Web-Benutzerschnittstelle (WUI) sein und kann Text, Dokumente, Webbrowser-Fenster, Benutzeroptionen, Anwendungsschnittstellen und Anweisungen für die Operation anzeigen und beinhaltet die Informationen (wie Grafik, Text und Klang), die ein Programm einem Operator präsentiert, sowie die Steuerungssequenzen, die der Operator zur Steuerung des Programms einsetzt. In anderen Ausführungsformen kann die Benutzerschnittstelle eine mobile Anwendungssoftware sein, die eine Schnittstelle zwischen den verschiedenen dargestellten Computergeräten (und zusätzlichen, nicht dargestellten Computergeräten) innerhalb der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 bereitstellt.
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3 ist ein Ablaufdiagramm, das gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Operation zum Erzeugen einer sensorischen Darstellung eines Qubits durch das Qubit-Darstellungsprogramm 101, allgemein mit 300 bezeichnet, darstellt. Insbesondere ist 3 ein Ablaufdiagramm, das die Operation zum Erzeugen einer HSV-Farbraumdarstellung eines Qubits darstellt. 3 veranschaulicht lediglich eine Ausführungsform und stellt keine Einschränkung bezüglich der Umgebungen dar, in denen unterschiedliche Ausführungsformen implementiert werden können. Der Fachmann kann zahlreiche Modifikationen an der dargestellten Umgebung vornehmen, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen angegeben ist, abzuweichen.
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In Schritt S302 ermittelt das Qubit-Darstellungsprogramm 101 einen Punkt in einer Bloch-Kugel auf Grundlage eines Qubits. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Punkt in der Bloch-Kugel durch einen Wert der Kobreite (Theta) in Bezug auf die z-Achse der Bloch-Kugel und einen Wert der Länge (phi) in Bezug auf die x-Achse der Bloch-Kugel definiert. Dementsprechend umfasst die Ermittlung eines Punktes in einer Bloch-Kugel gemäß einem Qubit die Ermittlung der Werte für die Kobreite (Theta) bzw. die Länge (phi), die einen Punkt in der Bloch-Kugel definieren. Der Fachmann wird erkennen, dass die Ermittlung einer Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubit-Zustands unter Verwendung aller allgemein bekannten, herkömmlichen Herangehensweisen/Techniken durchgeführt werden kann.
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In Schritt S304 wandelt das Qubit-Darstellungsprogramm 101 den Wert der Kobreite (Theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgangsraums um. In einer Ausführungsform hat die erste Variable einen ersten Bereich zulässiger Werte, der sich von dem Bereich zulässiger Werte für die Kobreite (Theta) unterscheidet. Da es sich bei dem sensorischen Ausgaberaum um einen HSV-Farbraum handelt, umfasst das Umwandeln des Wertes der Kobreite (theta) in einen Wert einer ersten Variablen eines sensorischen Ausgaberaums das Umwandeln des Wertes der Kobreite (theta) in einen Wert „Value“ für den HSV-Raum. Eine solche Umwandlung des Wertes der Kobreite (theta) in einen Wert von „Value“ für den HSV-Raum durch das Qubit-Darstellungsprogramm 101 beinhaltet das Dividieren des Wertes der Kobreite (theta) durch pi (weil theta von null bis pi reichen kann, während „Wert“ für den HSV-Farbraum nur zwischen null (0) und eins (1) liegen kann).
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In Schritt S306 wandelt das Qubit-Darstellungsprogramm 101 den Wert der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgangsraums um. In einer Ausführungsform hat die zweite Variable einen zweiten Bereich zulässiger Werte, der sich von dem Bereich zulässiger Werte für die Länge (phi) unterscheidet. Da es sich bei dem sensorischen Ausgaberaum um einen HSV-Farbraum handelt, umfasst das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert einer zweiten Variablen des sensorischen Ausgaberaums insbesondere das Umwandeln des Wertes der Länge (phi) in einen Wert des „Farbtons“ für den HSV-Raum. Eine solche Umwandlung des Wertes der Länge (phi) in einen Wert von „Farbton“ für den HSV-Raum durch das Qubit-Darstellungsprogramm 101 beinhaltet das Dividieren des Wertes der Länge (phi) durch 2*pi (weil phi von null bis 2*pi reichen kann, während „Farbton“ lediglich zwischen null (0) und eins (1) für den HSV-Farbraum liegen kann).
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In Schritt S308 definiert das Qubit-Darstellungsprogramm 101 einen Wert einer dritten Variablen, der gleich einem vorbestimmten konstanten Wert ist. Gewürdigt wird, dass der HSV-Farbraum drei Variablen beinhaltet, nämlich: (i) Farbton, (ii) Sättigung, und (iii) Wert. Dementsprechend ist die dritte Variable, für die das Qubit-Darstellungsprogramm 101 einen konstanten Wert definiert, „Sättigung“. In diesem Fall definiert das Qubit-Darstellungsprogramm 101 den konstanten Wert der dritten Variablen „Sättigung“ als gleich eins (1). Mit anderen Worten, der Wert von „Sättigung“ wird auf einen konstanten Wert von eins (1) gesetzt.
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Im Schritt S310 erzeugt das Qubit-Darstellungsprogramm 101 ein Ausgabesignal, das die Werte für „Farbton“, „Sättigung“ und „Wert“ darstellt. In einer Ausführungsform steuert das Ausgabesignal die einem Benutzer angezeigte(n) Farbe(n), wobei die Anzeigefarbe(n) einen Zustand des Qubits darstellt(en).
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Der Fachmann wird gewürdigt, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf einem Konzept des Abbildens (z. B. Umwandelns) der Winkel, die ein Qubit in einer Bloch-Kugel darstellen, auf einen sinnvollen sensorischen Ausgaberaum basieren. In den vorangehenden Schritten der 3 umfasst der sensorische Ausgaberaum den HSV-Zylinder, und die Umwandlung beinhaltet: (i) das Abbilden des Winkels theta aus der Bloch-Kugel-Darstellung auf einen Wert „Wert“ für den HSV-Raum und (ii) das Abbilden des Winkels phi aus der Bloch-Kugel-Darstellung auf einen Wert „Hue“ für den HSV-Raum. Darüber hinaus wird die „Sättigung“ als konstanter Wert von eins (1) festgelegt, da alle Vektoren in der Bloch-Kugel die Länge eins (1) haben müssen.
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Das Abbilden beinhaltet Einstellungen, um vom Bloch-Winkel in den HSV-Wert umzuwandeln, da die Bloch-Winkel in Begriffen von pi ausgedrückt sind und die HSV-Werte zwischen 0 und 1 variieren. Um also vom Bloch-Winkel in den HSV-Wert umzuwandeln, dividiert das Qubit-Darstellungsprogramm 101 phi durch 2*pi und dividiert theta durch pi (da theta in der Bloch-Kugel-Darstellung lediglich über pi variiert). Es versteht sich von selbst, dass andere Ausgabedatenräume ähnliche Einstellungen erfordern können, und solche Einstellungen können geradlinige und/oder einfache mathematische Operationen umfassen.
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In einigen Ausführungsformen können Einstellungen, falls erforderlich, auch während der Umwandlung vorgenommen werden. Zum Beispiel kann in vielen Quantenschaltungen viel Zeit damit verbracht werden, wobei der Bloch-Kugel-Vektor parallel zur x-Achse liegt und somit einen „Wert“ von 1/2 hat. Dies kann dazu führen, dass die Farben bei einigen Geräten nicht richtig dargestellt werden, so dass die Ausgabe immer noch sinnvoll ist, wenn der „Wert“ skaliert wird. Als Beispiel wird ein Ausgabewert mit 1,2 multipliziert, um die Farbe heller erscheinen zu lassen (aber auf 1 begrenzt, da dies der höchste in einer HSV-Abbildung zulässige Wert ist).
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In einigen Ausführungsformen, wobei die Umwandlung verwendet wird, um darzustellen, wie sich der Zustand eines Qubits während der Ausführung einer Schaltung ändert, aktualisiert das Qubit-Darstellungsprogramm 101 die Abbildung auf Grundlage des Wertebereichs, den das Qubit während der Ausführung der Schaltung annimmt. Wenn beispielsweise die Quantenoperationen der Schaltung im Voraus bekannt sind, kann diese Information verwendet werden, um den Bereich der Werte zu ermitteln, die Theta und Phi annehmen. Auf Grundlage des ermittelten Wertebereichs von theta und phi skaliert das Qubit-Darstellungsprogramm 101 die umgewandelten Werte im sensorischen Ausgaberaum, um die Nutzung des verfügbaren Bereichs des Ausgaberaums zu maximieren.
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Beispielsweise erhält das Qubit-Darstellungsprogramm 101 den Wertebereich durch Multiplikation der Matrizen, die die verwendeten Operationen/Gatter darstellen, und durch Extraktion von Theta und Phi aus den resultierenden Matrizen. Das Abbilden kann dann die Werte von theta und phi verändern. Wenn zum Beispiel bekannt ist, dass der größte Wert für Theta, der in der Schaltung verwendet wird, pi/2 ist, kann das Qubit-Darstellungsprogramm 101 diese Information verwenden, um die Operation der Umwandlung so anzupassen, dass alle Werte von Theta mit 2 multipliziert werden, so dass der gesamte Bereich der verfügbaren Farben genutzt wird. Dies stellt letztlich den Vorteil bereit, die Zugänglichkeit zu verbessern, z. B. durch Ändern der verwendeten Werte, um Farben zu vermeiden, die ein Benutzer z. B. aufgrund von Farbenblindheit nicht unterscheiden kann.
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In einigen Fällen kann die Umwandlung in einen Farbraum für einen Betrachter sinnvoller sein, da Vektoren, die auf der Bloch-Kugel nahe beieinander liegen, ähnliche Ergebnisse aufweisen. Im HSV-Farbraum beispielsweise werden Vektoren, die nahe beieinander liegen, als ähnliche Farben dargestellt. Dies kann einem Benutzer helfen, visuell zu verstehen, wie eine Operation den Zustand eines Qubits beeinflusst.
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In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt das Qubit-Darstellungsprogramm 101 andere sensorische Ausgaberäume mit zwei oder mehr variablen Elementen, die sinnvoll miteinander verknüpft werden können. In der Bloch-Kugel gibt es zwei variable Parameter - theta und phi - und einen dritten festen Parameter - die Länge des Vektors. So kann in einer Ausführungsform ein sensorischer Ausgaberaum einen auditiven Ausgaberaum (d. h. eine Klangausgabe) beinhalten, wobei die beiden variablen Elemente Tonhöhe und Lautstärke sind (und der feste Wert könnte der Ort sein, von dem der Klang kommt). Das Qubit-Darstellungsprogramm 101 wandelt zum Beispiel den Wert für phi in einen Klanghöhenwert und den Wert für theta in einen Lautstärkewert um.
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4 ist ein Diagramm einer beispielhaften Quantenschaltung, allgemein mit 400 bezeichnet, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 veranschaulicht lediglich eine Ausführungsform und stellt keine Einschränkung bezüglich der Umgebungen dar, in denen unterschiedliche Ausführungsformen implementiert werden können. Viele Änderungen an der dargestellten Umgebung können von Fachleuten vorgenommen werden, ohne dass der Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen angegeben ist, verlassen wird.
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Wenn zum Beispiel der größte Wert für theta mit pi/2 und der größte Wert für phi mit pi ermittelt wird, ermittelt das Qubit-Darstellungsprogramm 101 einen Skalierungsfaktor von 2x für theta und 2x für phi. Diese Skalierung stellt sicher, dass alle Farben im HSV-Farbraum verwendet werden können, indem zum Beispiel der Bereich von theta und phi nun alle ihre jeweiligen Bereiche umfasst. Hier wird das System so initialisiert, dass jedes Qubit einen Zustand von | 0> hat. Mit anderen Worten, die Werte von theta und phi sind beide gleich Null (0). Werden diese Werte auf den HSV-Raum abgebildet, ist die dargestellte Farbe weiß.
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In verschiedenen Ausführungsformen wendet das Qubit-Darstellungsprogramm ein „H“-Gatter auf einen ersten Zustand eines Qubits an. Dadurch werden die Werte von a und b des ersten Qubits gleich 1/Wurzel2, und als Vektor ist das erste Qubit nun an der positiven x-Achse mit Winkeln von theta = pi/2 bzw. phi = 0 ausgerichtet. Dadurch erhält die Darstellung des Zustands des ersten Qubits eine rote Farbe mit halber Intensität, da Rot dort ist, wo Null (0) für den „Farbton“ auf dem HSV-Raum liegt und phi 0 ist. Der oben ermittelte Skalierungsfaktor kann dann, falls gewünscht, angewendet werden, um theta = pi und phi = 0 zu erhalten. Dies ergibt die gleiche rote Farbe, aber jetzt mit voller Intensität.
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In verschiedenen Ausführungsformen wendet das Qubit-Darstellungsprogramm 101 ein „Z“ -Gatter auf das erste Qubit an. Dies ist eine Drehung um die Z-Achse der Bloch-Kugel um pi-Radiant. In diesem Fall sind die Winkel des ersten Qubits also theta = pi/2 und phi = pi. Dadurch erhält die Darstellung eines zweiten Zustands des ersten Qubits eine cyanfarbige Farbe (da cyan im HSV-Raum das Gegenteil von rot ist). Der oben ermittelte Skalierungsfaktor kann dann nochmals angewandt werden, um theta = pi und phi = 2pi zu erhalten, was die Farbe wieder auf Rot mit voller Intensität ändert (da eine Drehung um 2pi das Gleiche ist wie eine Drehung um 0). Obwohl die Skalierung in dieser beispielhaften Schaltung keinen starken Kontrast bereitstellt (Rot gegenüber Cyan), kann in komplexeren Schaltungen, wobei Theta und Phi größere Schwankungen aufweisen, ein größerer Kontrast entstehen.
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In verschiedenen Ausführungsformen misst das Qubit-Darstellungsprogramm 101 das erste Qubit, was dazu führt, dass sich der Vektor an einem der Pole ausrichtet (das Qubit hat ein Theta von pi oder Null (0)). Daraus ergibt sich die Darstellung eines dritten Zustands des ersten Qubits als Schwarz bzw. Weiß.
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Ein Fachmann wird es zu würdigen wissen, dass das Umwandeln einer Bloch-Kugel-Darstellung eines Qubits in einen alternativen sensorischen Ausgaberaum (z. B. einen Farbraum, einen Audioausgaberaum oder einen taktilen Ausgaberaum) Anfängern helfen kann zu verstehen, wie Quantenoperationen (z. B. Gatter) den Zustand eines Qubits beeinflussen. Darüber hinaus kann die Einstellung der umgewandelten Werte unter Verwendung von Skalierungsfaktoren fortgeschrittenen Benutzern helfen, zwischen Zuständen zu unterscheiden, die in der Bloch-Kugel nahe beieinander liegen.
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5 ist ein Blockschaubild, in dem die Komponenten eines Computergeräts dargestellt sind, das allgemein als 500 bezeichnet wird und zur Ausführung des Programms 101 zur Darstellung von Qubits, des ersten Servers 204, des zweiten Servers 206, der Speichereinheit 208, des Computergeräts 210, des Clientgeräts 212, des Clientgeräts 214 und aller zusätzlichen Computergeräte geeignet ist, die nicht in der verteilten Datenverarbeitungsumgebung 200 von 2 gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind. Das Computergerät 500 beinhaltet einen oder mehrere Prozessor(en) 504 (einschließlich eines oder mehrerer Computerprozessoren), eine Kommunikationsstruktur 502, einen Speicher 506 einschließlich RAM 516 und Cache 518, einen dauerhaften Speicher 508, eine Kommunikationseinheit 512, eine oder mehrere E/A-Schnittstellen 514, eine Anzeige 522 und ein oder mehrere externe Geräte 520. Es sollte gewürdigt werden, dass 5 lediglich eine Veranschaulichung einer Ausführungsform bereitstellt und keine Einschränkungen bezüglich der Umgebungen impliziert, in denen unterschiedliche Ausführungsformen realisiert werden können. Es können viele Änderungen an der dargestellten Umgebung vorgenommen werden.
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Wie dargestellt, arbeitet das Computergerät 500 über die Kommunikationsstruktur 502, die die Kommunikation zwischen dem/den Computerprozessor(en) 504, dem Speicher 506, dem dauerhaften Speicher 508, der Kommunikationseinheit 512 und der/den Eingabe/Ausgabe (E/A)-Schnittstelle(n) 514 bereitstellt. Die Kommunikationsstruktur 502 kann mit jeder Architektur realisiert werden, die für die Weitergabe von Daten oder Steuerinformationen zwischen Prozessor(en) 504 (z. B. Mikroprozessoren, Kommunikationsprozessoren und Netzwerkprozessoren), Speicher 506, externen Geräten 520 und anderen Hardwarekomponenten innerhalb eines Systems geeignet ist. Zum Beispiel kann die Kommunikationsstruktur 502 mit einem oder mehreren Bussen realisiert werden.
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Der Speicher 506 und der dauerhafte Speicher 508 sind computerlesbare Speichermedien. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet der Speicher 506 einen Direktzugriffspeicher (RAM) 516 und einen Cache 518. Im Allgemeinen kann der Speicher 506 jedes geeignete flüchtige oder nichtflüchtige, von einem oder mehreren Computern lesbare Speichermedium beinhalten.
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Programmanweisungen für das Qubit-Darstellungsprogramm 101 können in einem dauerhaften Speicher 508 oder allgemeiner in einem beliebigen computerlesbaren Speichermedium gespeichert werden, um von einem oder mehreren der jeweiligen Computer-Prozessoren 504 über einen oder mehrere Speicher des Speichers 506 ausgeführt zu werden. Bei dem dauerhaften Speicher 508 kann es sich um ein magnetisches Festplattenlaufwerk, ein Festkörperlaufwerk, ein Halbleiterspeichergerät, einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen elektronisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), einen Flash-Speicher oder jedes andere computerlesbare Speichermedium handeln, das Programmanweisungen oder digitale Informationen speichern kann.
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Die vom dauerhaften Speicher 508 verwendeten Medien können auch austauschbar sein. Zum Beispiel kann eine entfernbare Festplatte für den dauerhaften Speicher 508 verwendet werden. Andere Beispiele beinhalten optische und magnetische Festplatten, Thumb-Laufwerke und Smart Cards, die in ein Laufwerk eingelegt werden, um auf ein anderes computerlesbares Speichermedium übertragen zu werden, das ebenfalls Teil des dauerhaften Speichers 508 ist.
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Die Kommunikationseinheit 512 stellt in diesen Beispielen die Kommunikation mit anderen Datenverarbeitungssystemen oder Geräten bereit. In diesen Beispielen kann die Kommunikationseinheit 512 eine oder mehrere Netzwerk-Schnittstellenkarten beinhalten. Die Kommunikationseinheit 512 kann die Kommunikation durch die Verwendung von physischen oder drahtlosen Links bereitstellen. Im Zusammenhang mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Quelle der verschiedenen Eingabedaten physisch von dem Computergerät 500 entfernt sein, so dass die Eingabedaten empfangen werden können und die Ausgabe in ähnlicher Weise über die Kommunikationseinheit 512 übertragen werden kann.
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Die E/A-Schnittstelle(n) 514 ermöglicht/ermöglichen die Eingabe und Ausgabe von Daten mit anderen Geräten, die in Verbindung mit dem Computergerät 500 arbeiten können. Beispielsweise kann (können) die E/A-Schnittstelle(n) 514 eine Verbindung zu dem (den) externen Gerät(en) 520 bereitstellen, bei dem (denen) es sich um eine Tastatur, ein Keypad, einen Berührungsbildschirm oder andere geeignete Eingabegeräte handeln kann. Das/die externe(n) Gerät(e) 520 kann/können auch tragbare, vom Computer lesbare Speichermedien beinhalten, zum Beispiel Thumb-Laufwerke, tragbare optische oder magnetische Festplatten und Speicherkarten. Software und Daten, die zur Durchführung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können auf solchen tragbaren, computerlesbaren Speichermedien gespeichert und über die E/A-Schnittstelle(n) 514 auf den dauerhaften Speicher 508 geladen werden. Die E/A-Schnittstelle(n) 514 kann/können auch in ähnlicher Weise mit der Anzeige 522 verbunden werden. Die Anzeige 522 stellt einen Mechanismus zur Anzeige von Daten für einen Benutzer bereit und kann zum Beispiel ein Computer-Monitor sein.
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Es soll verstanden werden, dass, obwohl diese Offenbarung eine detaillierte Beschreibung des Cloud-Computing beinhaltet die Umsetzung der hier dargelegten Lehren nicht auf eine Cloud-Computing-Umgebung beschränkt ist. Vielmehr können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit jedem anderen Typ von Computer-Umgebung implementiert werden, der heute bekannt ist oder später entwickelt wird.
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Cloud Computing ist ein Modell zur Bereitstellung von Diensten, das einen bequemen, bedarfsgerechten Netzzugang zu einem gemeinsamen Vorrat konfigurierbarer Computerressourcen (z. B. Netzwerke, Netzwerkbandbreite, Server, Verarbeitung, Speicher, Anwendungen, virtuelle Maschinen und Dienste) ermöglicht, die mit minimalem Verwaltungsaufwand oder minimaler Interaktion mit einem Anbieter des Dienstes schnell bereitgestellt und freigegeben werden können. Dieses Cloud-Modell kann mindestens fünf Charakteristiken, mindestens drei Service-Modelle und mindestens vier Bereitstellungsmodelle beinhalten.
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Die Charakteristiken lauten wie folgt:
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Bedarfsgesteuerte Selbstbedienung: Ein Cloud-Verbaucher kann einseitig Ressourcen für Berechnungen bereitstellen, wie z. B. Serverzeit und Netzwerkspeicher, und zwar automatisch, ohne dass eine menschliche Interaktion mit dem Anbieter des Dienstes erforderlich ist.
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Breiter Netzwerkzugriff: Die Ressourcen sind über ein Netzwerk verfügbar und werden über Standardmechanismen abgerufen, die die Verwendung durch heterogene Thin- oder Thick-Client-Plattformen (z. B. Mobiltelefone, Laptops und PDAs) fördern.
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Ressourcenbündelung: Die Computer-Ressourcen des Anbieters werden in einem Multi-Tenant-Modell gebündelt, um mehrere Verbraucher zu bedienen, wobei verschiedene physische und virtuelle Ressourcen je nach Bedarf dynamisch zugewiesen und neu zugewiesen werden. Es besteht eine gewisse Standortunabhängigkeit, da der Verbraucher in der Regel keine Kontrolle oder Kenntnis über den genauen Standort der bereitgestellten Ressourcen hat, jedoch den Standort auf einer höheren Abstraktionsebene angeben kann (z. B. Land, Staat oder Rechenzentrum).
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Flexible Anpassungsfähigkeit: Ressourcen können schnell und elastisch bereitgestellt werden, in manchen Fällen auch automatisch, um schnell zu skalieren und schnell wieder freigegeben werden, um schnell zu skalieren. Für den Verbraucher erscheinen die für die Bereitstellung verfügbaren Ressourcen oft unbegrenzt und können in beliebiger Menge und zu jeder Zeit erworben werden.
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Dienstmessung: Cloud-Systeme kontrollieren und optimieren automatisch die Ressourcennutzung, indem sie eine dem Typ des Dienstes entsprechende Steuereinheit auf einer bestimmten Abstraktionsebene verwenden (z. B. Speicher, Verarbeitung, Bandbreite und aktive Benutzerkonten). Die Ressourcennutzung kann überwacht, kontrolliert und gemeldet werden, wodurch Transparenz sowohl für den Anbieter als auch für den Nutzer des genutzten Dienstes bereitgestellt wird.
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Die Service-Modelle lauten wie folgt:
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Software as a Service (SaaS): Die dem Verbraucher bereitgestellte Ressource besteht darin, die Anwendungen des Anbieters zu verwenden, die auf einer Cloud-Infrastruktur laufen. Der Zugriff auf die Anwendungen erfolgt von verschiedenen Mandant-Geräten aus über eine Thin-Client-Schnittstelle wie z. B. einen Webbrowser (z. B. webbasierte E-Mail). Der Verbraucher verwaltet oder kontrolliert nicht die zugrunde liegende Cloud-Infrastruktur, einschließlich Netzwerk, Server, Betriebssysteme, Steuereinheiten oder sogar einzelne Anwendungsressourcen, mit der möglichen Ausnahme begrenzter benutzerspezifischer Anwendungskonfigurationseinstellungen.
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Platform as a Service (PaaS): Die dem Verbraucher bereitgestellte Ressource besteht darin, vom Verbraucher erstellte oder erfasste Anwendungen, die mit vom Anbieter unterstützten Programmiersprachen und Tools erstellt wurden, in der Cloud-Infrastruktur einzusetzen. Der Verbraucher verwaltet oder kontrolliert nicht die zugrunde liegende Cloud-Infrastruktur, die Netzwerke, Server, Betriebssysteme oder Steuereinheiten umfasst, hat aber die Kontrolle über die bereitgestellten Anwendungen und möglicherweise über die Konfigurationen der Hosting-Umgebung der Anwendungen.
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Infrastructure as a Service (laaS): Die dem Verbraucher bereitgestellte Ressource besteht in der Bereitstellung von Verarbeitungs-, Speicher-, Netzwerk- und anderen grundlegenden Computer-Ressourcen, wobei der Verbraucher in der Lage ist, beliebige Software einzusetzen und auszuführen, die Betriebssysteme und Anwendungen umfassen kann. Der Verbraucher verwaltet oder kontrolliert nicht die zugrunde liegende Cloud-Infrastruktur, sondern hat die Kontrolle über Betriebssysteme, Speicher, bereitgestellte Anwendungen und möglicherweise eine begrenzte Kontrolle über ausgewählte Netzwerkkomponenten (z. B. Host-Firewalls).
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Die Bereitstellungsmodelle lauten wie folgt:
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Private Cloud: Die Cloud-Infrastruktur wird für lediglich eine Organisation betrieben. Sie kann von der Organisation selbst oder von einem Dritten verwaltet werden und sich an Ort und Stelle oder an einem anderen Ort befinden.
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Gemeinschafts-Cloud: Die Cloud-Infrastruktur wird von mehreren Organisationen gemeinsam genutzt und unterstützt eine spezifische Gemeinschaft mit gemeinsamen Anliegen (z. B. Aufgabe, Sicherheitsanforderungen, Richtlinie und Einhaltung von Gesetzen und Richtlinien). Sie kann von den Organisationen selbst oder von einem Dritten verwaltet werden und sich an Ort und Stelle oder an einem anderen Ort befinden.
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Öffentliche Cloud: Die Cloud-Infrastruktur wird der allgemeinen Öffentlichkeit oder einer großen Branchengruppe bereitgestellt und ist Eigentum einer Organisation, die Cloud-Dienste verkauft.
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Hybrid-Cloud: Die Cloud-Infrastruktur ist eine Zusammensetzung aus zwei oder mehreren (privaten, Gemeinschafts- oder öffentlichen) Clouds, die eigenständige Einheiten bleiben, aber durch eine standardisierte oder herstellerspezifische Technologie miteinander verbunden sind, die eine Portierbarkeit von Daten und Anwendungen ermöglicht (z. B. das Cloud-Bursting für den Lastausgleich zwischen Clouds).
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Eine Cloud-Datenverarbeitungsumgebung ist dienstorientiert, wobei der Schwerpunkt auf Zustandslosigkeit, geringer Kopplung, Modularität und semantischer Kompatibilität liegt. Im Mittelpunkt einer Cloud-Datenverarbeitung steht eine Infrastruktur, die ein Netzwerk von miteinander verbundenen Knoten umfasst.
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Figure 6 ist ein Blockschaubild, das eine Cloud-Computing-Umgebung 50 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Cloud-Computing-Umgebung 50 beinhaltet einen oder mehreren Cloud-Computing-Knoten 10, mit denen lokale Rechengeräte, die von Verbrauchern in der Cloud verwendet werden, wie z. B. PDAs (Personal Digital Assistant) oder Mobiltelefone 54A, Desktop-Computer 54B, Laptops 54C und/oder Computersysteme für Kraftfahrzeuge 54N, kommunizieren können. Die Knoten 10 können miteinander kommunizieren. Sie können physisch oder virtuell in einem oder mehreren Netzwerken gruppiert sein (nicht dargestellt), wie z. B. in privaten, Community-, öffentlichen oder hybriden Clouds, wie oben beschrieben, oder einer Kombination davon. Auf diese Weise kann die Cloud-Computing-Umgebung 50 Infrastruktur, Plattformen und/oder Software als Services anbieten, für die ein Verbraucher in der Cloud keine Ressourcen auf einem lokalen Rechengerät beibehalten muss. Es wird verstanden, dass die in Figure 6 dargestellten Typen von Rechengeräten 54A-N nur zur Veranschaulichung dienen und dass die Rechenknoten 10 und die Cloud-Computing-Umgebung 50 mit jedem Typ von Computer-Gerät über jede Art von Netzwerk und/oder netzwerkadressierbare Verbindung (z. B. unter Verwendung eines Webbrowsers) kommunizieren können.
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Figure 7 ist ein Blockschaubild, das eine Reihe von funktionalen Abstraktionsschichten, die von der in 6 dargestellten Cloud-Computing-Umgebung 50 bereitgestellt werden, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Es sollte im Voraus verstanden werden, dass die in Figure 7 dargestellten Komponenten, Schichten und Funktionen nur zur Veranschaulichung dienen und die Ausführungsformen der Erfindung nicht darauf beschränkt sind. Wie gezeigt, werden die folgenden Schichten und entsprechenden Funktionen bereitgestellt:
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Die Hardware- und Software-Schicht 60 umfasst Hardware- und SoftwareKomponenten. Beispiele für Hardware-Komponenten beinhalten: Großrechner 61; Server auf der Grundlage der RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) 62; Server 63; Blade-Server 64; Speichergeräte 65 sowie Netzwerke und Netzwerkkomponenten 66. In einigen Ausführungsformen beinhalten die Softwarekomponenten Netzwerk-Anwendungsserversoftware 67 und Datenbanksoftware 68.
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Die Virtualisierungsschicht 70 beinhaltet eine Abstraktionsschicht, auf der die folgenden Beispiele für virtuelle Einheiten bereitgestellt werden können: virtuelle Server 71, virtuelle Speicher 72, virtuelle Netzwerke 73, einschließlich virtueller privater Netzwerke, virtuelle Anwendungen und Betriebssysteme 74 und virtuelle Mandanten 75.
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In einem Beispiel kann die Verwaltungsschicht 80 die im Folgenden beschriebenen Funktionen bereitstellen. Die Ressourcenbereitstellung 81 stellt die dynamische Beschaffung von Computer-Ressourcen und anderen Ressourcen bereit, die zum Ausführen von Aufgaben innerhalb der Cloud-Computing-Umgebung genutzt werden. Metering und Pricing 82 stellen die Kostenverfolgung bei der Nutzung von Ressourcen in der Cloud-Computing-Umgebung sowie die Abrechnung oder Rechnungsstellung für den Verbrauch dieser Ressourcen bereit. In einem Beispiel können diese Ressourcen Lizenzen für Anwendungssoftware beinhalten. Sicherheit stellt die Identitätsprüfung für Verbraucher und Aufgaben in der Cloud sowie den Schutz von Daten und anderen Ressourcen bereit. Das Benutzerportal 83 stellt den Zugang zur Cloud-Computing-Umgebung für Verbraucher und Systemadministratoren bereit. Das Service-Level-Management 84 stellt die Zuweisung und Verwaltung von Cloud-Computing-Ressourcen bereit, so dass die erforderlichen Service-Levels eingehalten werden. Die Planung und Erfüllung von Service Level Agreements (SLA) 85 stellt die Anordnung und Beschaffung von Cloud-Computing-Ressourcen bereit, für die ein zukünftiger Bedarf gemäß einem SLA erwartet wird.
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Die Schicht 90 „Arbeitslasten“ stellt Beispiele für Funktionen bereit, für die die Cloud-Computing-Umgebung genutzt werden kann. Beispiele für Arbeitslasten und Funktionen, die von dieser Schicht aus bereitgestellt werden können, umfassen: Mapping und Navigation 91; Softwareentwicklung und Lebenszyklusmanagement 92; Bereitstellung von Unterricht in virtuellen Klassenzimmern 93; Datenanalyseverarbeitung 94; Transaktionsverarbeitung 95; und Qubit-Darstellungsprogramm 101.
