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Quantencomputer: Was sind diese Qubits?

Bits und Bytes sind für jeden Computer essenziell. Quantencomputer benutzen Qubits zum Rechnen. Was macht sie so besonders?

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Ein supraleitendes Transmon Qubit
Ein supraleitendes Transmon Qubit (Bild: Michael Fang/Josephson Junction Quantum Computing at UCSB)

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Der kleinste Bestandteil jeder Rechnung in einem Quantencomputer ist das Qubit. Genauso wie das digitale Bit kann auch ein Qubit im Ergebnis nur zwei Werte annehmen, die genau wie beim Bit auch als 0 und 1 bezeichnet werden. Sowohl Bits als auch Qubits speichern Werte, sie können manipuliert werden und selbst andere Bits oder Qubits manipulieren. Sie sind die Grundlage für jede Berechnung. Der Unterschied besteht darin, wie diese Null oder Eins bei der Messung im Ergebnis zustandekommen.

Inhalt:
  1. Quantencomputer: Was sind diese Qubits?
  2. Elektronenspin als Beispiel
  3. Verschiedene Konzepte für Qubits

Vor einer Messung kann ein Qubit nicht nur die Werte 0 und 1 annehmen. Es ist eine komplexe Zahl, die aus zwei Komponenten besteht, dem realen und dem imaginären Teil. Das Qubit hat dabei immer den Betrag 1. Wenn eine komplexe Zahl auf einem X-Y-Diagramm dargestellt wird, dann ist der Betrag der Abstand vom Nullpunkt. Ein Qubit kann also jeden beliebigen Wert auf einem Kreis mit dem Radius 1 um den Nullpunkt annehmen - bis es gemessen wird.

Der Wert kann gezielt manipuliert und auf dem Kreis verschoben werden. Zwei Qubits können miteinander interagieren und, je nach den Bedingungen dabei, ihre Werte verändern. Die Messung kann jedoch nur die Werte 0 oder 1 ergeben. Die Chance auf eine 1 ergibt sich aus dem Quadrat des realen Anteils der Zahl. Nur wenn der reale Anteil der Zahl 0 ist, ergibt die Messung mit Sicherheit 0.

Aber was ist ein Qubit in einem Quantencomputer? Wie beim Bit in einem einfachen Computer gibt es auf diese Frage viele Antworten. Auch ein Bit kann auf vielen verschiedenen Wegen realisiert werden. Das System hinter der 1 oder der 0 kann die verschiedensten Formen annehmen. Bits sind nichts weiter als ein abstraktes Konzept. Wichtig ist nur, dass die Bauteile des Computers die Eigenschaften eines Bits haben. Dieses muss in genau einem von zwei Zuständen sein, die beide eindeutig definiert sind, stabil bleiben und jederzeit gemessen werden können. Es gibt viele denkbare Systeme, mit denen so ein Bit realisiert werden kann.

Von der Pappkarte zum mikroskopischen Transistor

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Anfangs bestanden Bits aus Löchern in Pappkarten und Papierstreifen, die mechanische Systeme blockieren oder freigeben können. Ein Ansatz, der noch nicht tot ist, gelegentlich wird immer noch an mechanischen Systemen mit Schaltern im Nanobereich für Spezialanwendungen geforscht. Es folgten elektrische Systeme mit Relais, Vakuumröhren und schließlich Transistoren. Hinzu kamen Systeme zur langfristigen Speicherung.

Alle Bits können zwei klar definierte, jederzeit messbare Zustände einnehmen. Allen gemein ist, dass die Berechnungen im gesamten Computer jederzeit gestoppt, sein Zustand erfasst und weitergerechnet werden kann. Ein Qubit ist ein genauso abstraktes Konzept wie ein Bit und es nimmt im Quantencomputer die gleiche Stellung ein. Allerdings sind sie weit weniger leicht zu konstruieren und die Berechnungen finden weitgehend im Blindflug statt. Denn jeder Eingriff vor dem Ende der Berechnung zerstört die Information im Qubit.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Qubits praktisch umzusetzen. In der Quantenphysik braucht es dafür leider mehr als eine Pappkarte, in der entweder ein Loch sein kann oder auch nicht. Nötig ist ein quantenphysikalisches System, das genau zwei Zustände einnehmen kann, in denen es gemessen werden kann. Es hat dann automatisch die nötigen Eigenschaften einer komplexen Zahl mit dem Betrag 1. Es gibt auch hier weit mehr als einen Weg, so ein System zu erzeugen. Aber jedes System muss am Ende die gleichen physikalischen Eigenschaften haben.

Elektronenspin als Beispiel 
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Lemo 23. Mai 2017

Ok, das leuchtet mir ein. Wieso kann man das nicht simpel erklären, statt nur zu sagen...

LadyDie 21. Mai 2017

Ein Qbit wird nicht durch 1 komplexe Zahl beschrieben, sondern durch 2 komplexe Zahlen...

Gromran 17. Mai 2017

Mit Störung ist hier eher der Kollaps der quantenmechanischen Wellenfunktion gemeint...


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