Qubit (Qbit, Quantenbit)

Was ist ein Qubit?

Ein Qubit (kurz für Quantenbit) oder Qbit ist die Grundeinheit der Information in der Quanteninformatik und das Gegenstück zum Bit in der klassischen Informatik. Ein Qubit spielt eine ähnliche Rolle wie ein Bit, wenn es um die Speicherung von Informationen geht, aber es verhält sich aufgrund der Quanteneigenschaften, auf denen es basiert, ganz anders.

In einem Quantencomputer kann eine Reihe von Elementarteilchen wie zum Beispiel Elektronen oder Photonen verwendet werden (in der Praxis hat man auch mit Ionen Erfolg gehabt), wobei entweder ihre Ladung oder ihre Polarisation als Darstellung von 0 und/oder 1 fungiert. Jedes dieser Teilchen wird als Qubit bezeichnet. Die Beschaffenheit und das Verhalten dieser Teilchen (wie sie in der Quantentheorie ausgedrückt werden) bilden die Grundlage der Quanteninformatik. Zwei der wichtigsten Aspekte der Quantenphysik sind die Prinzipien der Superposition und der Verschränkung.

Qubit und Superposition

Bei der Verwendung als Qubit wird ein Teilchen in eine kontrollierte Umgebung gebracht, die es vor äußeren Einflüssen schützt. Zum Beispiel kann es in einem Magnetfeld schweben oder in einen speziellen Schaltkreis eingebettet sein, der dann von der äußeren Umgebung isoliert ist. In vielen Fällen befindet sich der gesamte Mechanismus in einem gekühlten Raum, um subatomare Störungen zu minimieren, wobei die Temperaturen oft nahe dem absoluten Nullpunkt bei 0 Kelvin liegen.

Die Forscher experimentieren mit verschiedenen Ansätzen, um eine Umgebung zu schaffen, in der sich die Qubits zuverlässig manipulieren und messen lassen, ohne dass äußere Faktoren sie beeinflussen. Zum Beispiel besteht ein Ansatz darin, ein Elektron in einem elektromagnetischen Feld zu halten und den Spin-Zustand des Elektrons zu kontrollieren, während das Elektron von äußeren Einflüssen isoliert wird. Wenn der Spin des Elektrons auf das Feld ausgerichtet ist, befindet es sich in einem Spin-up-Zustand. Wenn er dem elektromagnetischen Feld entgegengesetzt ist, befindet er sich in einem Spin-down-Zustand.

Der Spin des Elektrons lässt sich von einem Zustand in den anderen ändern, indem ein Energieimpuls auf das Teilchen gerichtet wird. Die Energie kann von einem Laserstrahl, Mikrowellen oder einer anderen Quelle stammen. Jedes Mal, wenn der Impuls abgegeben wird, ändert sich der Spin-Zustand des Elektrons. Das Umschalten des Zustands bietet einen Mechanismus, um jedem Qubit eine 0 oder 1 zuzuordnen, ähnlich wie ein Bit beim klassischen Rechnen. Die Quanteninformatik ermöglicht es jedoch, mit einem Qubit viel mehr zu tun.

Nehmen wir an, der dem Elektron zugeführte Energieimpuls beträgt eine Energieeinheit. Was passiert, wenn der Impuls nur eine halbe Energieeinheit besitzt? Nach dem Quantengesetz tritt das Teilchen in einen Überlagerungszustand (Superposition) ein und verhält sich so, als ob es sich gleichzeitig im Spin-up- und Spin-down-Zustand befände. Das Elektron existiert in einem fließenden Zustand der Wahrscheinlichkeit, der mathematisch durch Bruchteile zwischen 0 und 1 dargestellt wird. Es bleibt in diesem Zustand, bis es beobachtet und gemessen wird.

Die Überlagerungseigenschaft ermöglicht es einem Quantencomputer, sich in mehreren Zuständen gleichzeitig zu befinden. Die Zahl der möglichen Zustände wächst exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Die möglichen Zustände werden als 2ⁿ dargestellt, wobei n die Anzahl der Qubits ist. Die folgende Tabelle zeigt die Anzahl der möglichen Zustände für fünf Qubits:

Ein Quantencomputer kann mit seinen Qubits viel mehr tun als ein klassischer Computer mit der gleichen Anzahl von Bits. Zum Beispiel kann ein 2-Bit-Register in einem klassischen Computer nur eine von vier Binärkonfigurationen (00, 01, 10 oder 11) zu einem beliebigen Zeitpunkt speichern. Ein 2-Qubit-Register in einem Quantencomputer kann jedoch alle vier Zahlen gleichzeitig speichern, und je mehr Qubits hinzugefügt werden, desto exponentieller steigt die Zahl der Zustände. Um diese Art von Wachstum zu erreichen, müssen sich Quantencomputer jedoch auch eine andere wichtige Quanteneigenschaft zunutze machen: die Verschränkung.

Quantencomputing und Verschränkung

Wenn Teilchen erzeugt werden oder auf bestimmte Weise miteinander interagieren, werden sie verschränkt. Das heißt, sie behalten eine Verbindung zueinander, auch wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind. Als Teil dieser Verbindung ist ihr Verhalten über diese Entfernungen hinweg korreliert, solange sie verschränkt bleiben. Die Quanteninformatik nutzt diese Korrelation, um die Art von exponentiellem Wachstum zu erreichen, die der Superpositionszustand verspricht.

Wenn zwei verschränkte Teilchen gemessen werden, befinden sie sich aufgrund der Korrelation zwischen ihnen immer in entgegengesetzten Spin-Zuständen. Wenn sich der Spin-Zustand des einen Teilchens ändert – sei es von oben nach unten oder von unten nach oben –, ändert sich auch der Spin-Zustand des anderen Teilchens, allerdings in entgegengesetzter Richtung. Wenn man also den Spin-Zustand eines verschränkten Teilchens kennt, kann man auch den Spin-Zustand des anderen Teilchens bestimmen.

Wenn ein verschränktes Teilchen gemessen wird, kommuniziert es mit dem korrelierten Teilchen, das gleichzeitig die entgegengesetzte Spinrichtung annimmt. Einstein nannte dieses Phänomen spukhafte Fernwirkung, und die Physiker wissen bis heute nicht, warum es auftritt. Dieses Verhalten wurde jedoch in zahlreichen Experimenten nachgewiesen. Es wird heute allgemein als gegeben akzeptiert und spielt eine Schlüsselrolle beim Quantencomputing.

Die Quantenverschränkung ermöglicht es Qubits, augenblicklich miteinander zu interagieren. Diese Wechselwirkung ist weder von der Entfernung noch von der Lichtgeschwindigkeit abhängig. Zusammen mit der Superposition erlaubt die Verschränkung eine erhebliche Steigerung der Rechenleistung und die Durchführung von Berechnungen in einem Bruchteil der Zeit im Vergleich zu den leistungsfähigsten klassischen Computern von heute.

Die Quanteninformatik steckt noch in den Kinderschuhen. Zu den möglichen künftigen Anwendungen gehören künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, Finanzmodellierung, Cybersicherheit, Optimierung von Routing und Verkehr, Fertigung, Arzneimittel- und Chemieforschung sowie neue Materialien, die in Produkten wie Batterien und Halbleitern eingesetzt werden.