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Definition Was ist ein Qubit?

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

Das Qubit ist die kleinste Rechen- und Informationseinheit eines Quantencomputers. Es basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bit kann es mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Erst bei der Messung legt es sich für einen konkreten Zustand fest. Quantencomputer erzielen schon mit wenigen Qubits große Rechenleistungen.

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(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Qubit ist die kurze Bezeichnung von Quantenbit. Manchmal wird das Quantenbit auch mit Qbit abgekürzt. Es handelt sich um die kleinste Speicher- und Informationseinheit eines Quantencomputers. Das Qubit basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und verhält sich anders als herkömmliche Bits eines normalen Computers. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits kann das Quantenbit beliebig viele Zustände gleichzeitig annehmen. Erst beim Auslesen (Messung) legt es sich für einen konkreten Zustand fest. Quantencomputer erzielen schon mit wenigen Qubits große Rechenleistungen.

Mittlerweile ist es möglich, einfache Quantencomputer nicht nur theoretisch zu beschreiben, sondern praktisch zu realisieren. Es existieren verschiedene Ansätze das Qubit physikalisch umzusetzen. Die derzeit (Stand 2020) maximal realisierbare Menge an Qubits eines Quantencomputers liegt circa zwischen 50 und 70 Qubits. Dank der enormen Rechenleistung sollen Quantencomputer zukünftig in der Lage sein, komplexe und rechenaufwendige Problemstellungen in kurzer Zeit zu lösen.

Die Merkmale eines Qubits

Die Quantenphysik unterscheidet sich deutlich von der klassischen Physik. So verändern sich die Eigenschaften eines Teilchens, sobald darauf zugegriffen wird. Soll beispielsweise gemessen werden, wo sich eine Teilchen befindet oder welchen Zustand ein Teilchen hat, beeinflusst und verändert diese Messung das Ergebnis. Mit den Qubits verhält es sich ähnlich. Auch sie sind den Gesetzen der Quantenphysik unterworfen. Qubits unterliegen beispielsweise den Prinzipien der Kohärenz und der Superposition. Sie sind für eine bestimmte Zeit in der Lage, beliebige Zwischenzustände zwischen 0 und 1 gleichzeitig anzunehmen. Zudem kann zwischen den Qubits eine Verschränkung bestehen. Sie sorgt für eine gegenseitige Beeinflussung der Quantenbits ohne zeitlichen Verzug. Erst wenn der Zustand eines Quantenbits ausgelesen werden soll, legt es sich für einen Zustand 0 oder 1 fest.

Abgrenzung zu den Bits eines herkömmlichen Computers

Um die Funktionsweise eines Quantencomputers mit Qubits besser zu verstehen, zunächst eine kurze Erläuterung der Arbeitsweise herkömmlicher Computer. Die kleinste Informationseinheit eines heutigen Computers ist das Bit. Es kann den Zustand 1 oder 0 annehmen. Die physikalische Abbildung dieser Zustände findet über Spannungspegel eines Halbleiterschaltkreises statt. Ein auf der Transistortechnik basierender Halbleiterschaltkreis ist leitend oder nicht leitend geschaltet. Viele Bits, die über logische Verknüpfungen wie UND-Verknüpfungen, ODER-Verknüpfungen oder NICHT-Verknüpfungen miteinander verkettet sind, können Rechenoperationen ausführen. Die Kombination vieler verschiedener Rechenoperationen erlaubt die Abbildung komplexer Formeln und Befehle. Alle Berechnungen eines herkömmlichen Computers lassen sich immer auf die beiden Zustände 0 und 1 und die logische Verknüpfung der Bits zurückführen.

Warum rechnen Quantencomputer schneller?

Quantencomputer rechnen nicht wie herkömmliche Computer mit binären Bits, sondern mit Qubits. Eine Quantencomputer mit nur wenigen Quantenbits ist in der Lage, mehr Rechenoperationen auszuführen als normale Computer mit gleicher Anzahl Bits. Der Grund hierfür ist, dass die Qubits zur gleichen Zeit mehrere Zustände annehmen können und miteinander verschränkt sind. Vereinfacht ausgedrückt sind Rechenoperationen gleichzeitig und nicht nacheinander ausführbar. Die Rechenleistung eines Quantencomputers steigt theoretisch exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Schon mit wenigen Qubits sind komplexe Problemstellungen in kurzer Zeit lösbar.

Viele Jahre waren Qubits und Quantencomputer ein nur theoretisches wissenschaftliches Konzept. Mittlerweile existieren zahlreiche praktische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Nach Angaben verschiedener Forschungseinrichtungen und Hersteller liegt die aktuell realisierbare Maximalzahl an Qubits eines Quantencomputers bei etwa 50 bis 70 Quantenbits. Quanten-Computing gilt als eine der Schlüsseltechnologien kommender Jahrzehnte.

Realisierungsmöglichkeiten von Qubits

Mittlerweile gibt es mehrere Möglichkeiten, sich nach den Prinzipien der Quantenphysik verhaltende Qubits praktisch zu realisieren. Die Technik ist recht aufwendig und für den kommerziellen Einsatz noch nicht geeignet. Ein Ansatz zur Realisierung von Quantenbits ist ein auf den absoluten Nullpunkt gekühlter metallischer Leiter. Er wird aufgrund der Kühlung supraleitend und ist in der Lage, Strom ohne Widerstand gleichzeitig in zwei Richtungen zu leiten. So erreicht der Leiter den Zustand der Superposition. Programmieren lassen sich diese Qubits mithilfe von Mikrowellenimpulsen.

Weitere praktische Ansätze zur Realisierung von Qubits sind:

  • Ionenfallen: durch elektromagnetische Felder in einem Vakuum aufgereihte Ionen
  • quasi-nulldimensionale Halbleiterstrukturen: Elektronen einer Halbleiterstruktur in diskreten Zuständen
  • Atomkern-Spins: Auslesen und Manipulieren der Spins von Atomkernen per Kernspinresonanz
  • Photonen: orthogonale Polarisationen von Photonen, Vielphotonenzustände und anderes

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