Was ist ein Qubit?

Die Entwicklung von Quantencomputern fand ihren Anfang in den 1980er Jahren und hat bis heute einen langen Weg von der reinen Theorie zu praktischen Hardware-Anwendungen zurückgelegt. Heute stellt IBM Quantum echte Quantenhardware her, ein Tool, das sich Wissenschaftlern überhaupt erst seit drei Jahrzehnten vorstellen können, und das heute hunderttausenden von Entwicklern zur Verfügung steht.  

Wenn Physiker und Ingenieure auf schwierige Probleme stoßen, kommen Supercomputer zum Einsatz. Doch selbst Supercomputer sind Maschinen, die auf Binärcode und der Transistortechnologie des 20. Jahrhunderts basieren und auch sie haben Schwierigkeiten dabei, hochkomplexe Probleme zu lösen. Bei diesen klassischen Computern gibt es außerdem Schwachstellen hinsichtlich des Materials, wie beispielsweise das Problem der Überhitzung, wodurch ihre Fähigkeit zur Verarbeitung von Informationen stark eingeschränkt werden kann. Es gibt einige komplexe Probleme, wie die Modellierung einzelner Atome in einem Molekül, die wir mit klassischen Computern in keiner Größenordnung lösen können.

Die Gesetze der Quantenmechanik bestimmen die Ordnung der natürlichen Welt. Computer, die Berechnungen mit den Quantenzuständen von Quantenbits durchführen, sollten in vielen Situationen unsere besten Werkzeuge sein, um komplexeste Probleme zu verstehen und zu lösen. 

Bei der Betrachtung von Quantencomputern ist es wichtig zu verstehen, dass die Quantenmechanik nicht mit der traditionellen Physik zu vergleichen ist. Die Beschreibung des Verhaltens von Quantenteilchen stellt eine einzigartige Herausforderung dar, da den meisten gängigen Paradigmen für die natürliche Welt einfach ein Vokabular fehlt, um das scheinbar kontraintuitive Verhalten von Quantenteilchen zu erfassen. 

Ein klassisches Bit kann nur entweder an einer 0-Position oder an einer 1-Position vorhanden sein. Qubits können jedoch auch einen dritten Zustand einnehmen, der als Überlagerung bezeichnet wird. Eine Überlagerung stellt 0, 1 und alle Positionen dazwischen auf einmal dar, was insgesamt drei separate Positionen ergibt.

Obwohl Qubits drei verschiedene Positionen verschlüsseln können, werden sie immer noch verwendet, um Informationen über ein binäres System zu übertragen. In solchen Systemen kann sich der Begriff „Bit“ entweder auf das Material oder den Prozess beziehen, der zur Darstellung einer 0 oder 1 verwendet wird, oder auf die Messung dieses Bits (also eine 0 oder eine 1). 

Beim traditionellen oder klassischen Rechnen kann man sich ein einzelnes Bit als eine binäre Information vorstellen, die entweder als 0 oder als 1 notiert wird. Moderne Computer stellen Bits typischerweise entweder als elektrische Spannungs- oder Stromimpulse dar (oder durch den elektrischen Zustand einer Flip-Flop-Schaltung).

Wenn in diesen Systemen kein Strom fließt, kann der Stromkreis als ausgeschaltet betrachtet werden, und dieser Zustand wird als 0 dargestellt. Wenn Strom fließt, wird der Stromkreis als eingeschaltet betrachtet, und dieser Zustand wird als 1 dargestellt.

Der Begriff „Bit“ ist selbst ein Kofferwort für „Binärziffer“, und binäre Bits sind die grundlegende Basis aller Computer. Ganz gleich, ob Sie ein digitales Video aufnehmen, ein 3D-Modell animieren oder eine Taschenrechner-App verwenden – alle Daten von Betriebssystemen bis hin zu Software bestehen aus Binärcode, einer Ansammlung von Bits. Ein Computer-Byte besteht aus acht Bits, was die Mindestanzahl von Bits ist, die erforderlich sind, um ein einzelnes Textzeichen in der Binärdatei zu vermitteln. 

Bits können elektrisch dargestellt werden, indem beispielsweise Strom durch einen Siliziumchip fließt (oder nicht fließt). Bits können auch physisch dargestellt werden, als Loch oder das Fehlen eines Lochs in einem Blatt Papier, wie es in der veralteten Lochkartentechnik verwendet wurde. Jedes Zweizustandssystem, in dem der Zustand des Systems nur in einer von zwei möglichen Positionen (z. B. oben oder unten, links oder rechts, an oder aus) beschrieben werden kann, kann zur Darstellung eines Bits verwendet werden. 

Quantentechnologien verwenden zwar Binärcode, aber die von einem Quantensystem – wie einem Qubit – abgeleiteten Quantendaten entschlüsseln Daten anders als herkömmliche Bits, mit einigen bemerkenswerten Vorteilen. Forscher haben eine Vielzahl von Möglichkeiten entwickelt, um entweder Qubits zu erzeugen oder natürlich vorkommende Quantensysteme als Qubits zu verwenden. In fast allen Fällen benötigen Quantencomputer jedoch eine extreme Kühlung, um Qubits zu isolieren und Interferenzen zu verhindern. 

Theoretisch kann jedes Zweizustandssystem zur Herstellung eines Qubits verwendet werden. Ein Quantensystem wird als Zweizustandssystem bezeichnet, wenn bestimmte Systemeigenschaften in binären Positionen gemessen werden können, z. B. hoch oder runter. Mehrstufige Quantensysteme können auch zur Erzeugung von Qubits verwendet werden, solange zwei Aspekte dieses Systems effektiv isoliert werden können, um eine binäre Messung zu erzeugen. So wie herkömmliche Computer mehrere Arten von Bits verwenden können – wie zum Beispiel elektrischen Strom, elektrische Ladung oder in ein Blatt Papier gestanzte (oder nicht gestanzte) Löcher bei der Lochkartentechnik – können Quantencomputer mehrere Arten von Bits verwenden. Bestimmte Bits eignen sich besser für bestimmte Funktionen, und ein fortschrittlicher Quantencomputer wird wahrscheinlich eine Kombination von Bittypen verwenden, um verschiedene Operationen auszuführen.

Da jedes Bit entweder eine 0 oder eine 1 darstellen kann, können wir durch die Paarung von zwei Informationsbits bis zu vier einzigartige Binärkombinationen erzeugen:

1. 00
2. 01
3. 10
4. 11

Während jedes Bit entweder eine 0 oder eine 1 sein kann, kann ein einzelnes Qubit entweder eine 0, eine 1 oder eine Überlagerung sein. Eine Quantenüberlagerung kann sowohl als 0 als auch als 1 oder als alle möglichen Zustände zwischen 0 und 1 beschrieben werden, da sie tatsächlich die Wahrscheinlichkeit des Qubit-Zustands darstellt. 

Auf Quantenebene wird die Qubit Wahrscheinlichkeit als Wellenfunktion gemessen. Die Wahrscheinlichkeitsamplitude eines Qubits kann verwendet werden, um mehr als ein Datenbit zu kodieren und in Kombination mit anderen Qubits äußerst komplexe Berechnungen durchzuführen.

Bei der Verarbeitung eines komplexen Problems, beispielsweise der Faktorisierung einer großen Primzahl, werden herkömmliche Bits durch die Aufnahme großer Informationsmengen gebunden. Quantenbits verhalten sich anders. Da Qubits eine Überlagerung enthalten können, kann ein Quantencomputer, der Qubits verwendet, ein viel größeres Datenvolumen berechnen. 

Als hilfreiche Analogie zum Verständnis von Bits und Qubits stellen Sie sich am besten vor, in der Mitte eines komplizierten Labyrinths zu stehen. Um aus dem Labyrinth heraus zu finden, müsste ein herkömmlicher Computer das Problem dadurch lösen, alle möglichen Kombinationen von Pfaden auszuprobieren, um den Ausgang zu finden. Diese Art von Computer würde Bits verwenden, um neue Wege zu erkunden und sich zu merken, welche in Sackgassen enden.

Im Vergleich dazu könnte ein Quantencomputer, bildlich gesprochen, einen Blick aus der Vogelperspektive auf das Labyrinth werfen, mehrere Pfade gleichzeitig testen und die richtige Lösung aufdecken. Qubits „testen jedoch nicht mehrere Pfade“ gleichzeitig. Stattdessen messen Quantencomputer die Wahrscheinlichkeitsamplituden von Qubits, um ein Ergebnis zu bestimmen. Da diese Amplituden wie Wellen funktionieren, überlappen sie sich und stören sich gegenseitig. Wenn sich asynchrone Wellen überlappen, werden mögliche Lösungen für komplexe Probleme effektiv eliminiert, und die realisierte kohärente Welle oder die realisierten kohärenten Wellen stellen die Lösung dar. 

Wenn zwei Qubits verschränkt sind, existieren beide in einer Überlagerung, bis eines von beiden gemessen wird. Nach der Beobachtung wird dafür gesorgt, dass die Quantenüberlagerung beider zusammenbricht, und das Qubit, das nicht beobachtet wird, nimmt die entgegengesetzte Position des beobachteten Qubits ein.

Wenn zum Beispiel eine Hälfte eines verschränkten Qubit-Paares an einer 1-Position gemessen wird, kann das andere Qubit sofort als 0 gemessen werden. Die Auswirkungen der Quantenverschränkung sind so umfangreich, wie unser Verständnis dieses Phänomens begrenzt ist. Es genügt zu sagen, dass sich herkömmliche Bits nicht verschränken. Auf diese Weise können verschränkte Qubits scheinbar augenblicklich Informationen über Lichtjahre hinweg übertragen, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Auch wenn Qubits Daten nicht wirklich schneller als Licht übertragen, kann die Quantenverschränkung die Leistung von Quantenschaltkreisen drastisch erhöhen. 

Man sagt, dass Quantenpartikel kohärent sind, wenn sie ausreichend kontrolliert werden, um als Qubits zu funktionieren. Wenn ein Qubit diese Fähigkeit verliert, wird es als dekohärent bezeichnet. Die energieintensive Kühlung, die erforderlich ist, um einen Kohärenzzustand für funktionierende Qubits zu erzeugen, ist eine große Herausforderung beim Quantencomputing. 

Selbst unter den kältesten Bedingungen sind Qubit-Systeme generell anfällig für Störungen durch Dekohärenz. Glücklicherweise haben die Fortschritte auf dem neuen Gebiet der algorithmischen Quantenfehlerkorrektur das Potenzial, bisher schwache Quantensysteme zu stabilisieren.