Was ist ein Qubit?
Qubits einfach erklärt
So wie ein binäres Bit die grundlegende Einheit von Informationen in klassischem (oder herkömmlichem) Computing ist, ist ein Qubit (oder „Quantenbit“) die grundlegende Einheit von Informationen im Quantencomputing. Das Quantencomputing fördert Neuentwicklungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Energie, Umwelt, Smart Materials usw.
Qubits und Bits im Vergleich
Qubits werden durch eine Überlagerung mehrerer möglicher Zustände dargestellt.
Ein Qubit verwendet das quantenmechanische Phänomen der Überlagerung, um eine lineare Kombination zweier Zustände zu erzielen. Ein klassisches binäres Bit kann immer nur einen Binärwert darstellen, also 0 oder 1. Es kann also nur einen von zwei möglichen Zuständen aufweisen. Ein Qubit dagegen kann 0, 1 oder ein beliebiges Verhältnis von 0 und 1 durch Überlagerung beider Zustände darstellen, wobei es eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür gibt, dass der Zustand 0 ist, und eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, dass er 1 ist.
Dank Überlagerung bieten Quantencomputer überlegene Rechenleistung
Die Überlagerung gestattet es Quantenalgorithmen, Informationen in einem Bruchteil der Zeit zu verarbeiten, die selbst die schnellsten klassischen Systeme für die Lösung bestimmter Probleme benötigen würden.
- Die Menge der Informationen, die ein Qubitsystem darstellen kann, wächst exponentiell. Informationen, die mit 500 Qubits leicht darstellbar sind, können sogar mit mehr als 2^500 klassischen Bits nicht abgebildet werden.
- Ein klassischer Computer würde mehrere Millionen Jahre brauchen, um die Primfaktoren einer 2.048-Bit-Zahl zu ermitteln. Qubits könnten diese Berechnung dagegen in nur wenigen Minuten ausführen.
Es gibt zahlreiche physische Implementierungen von Qubits.
Während klassische Computer die bekannten Siliziumchips verwenden, können Qubits (manchmal auch "Quantencomputerqubits" genannt) aus eingefangenen Ionen, Photonen, künstlichen oder echten Atomen oder Quasipartikeln bestehen. Abhängig von der Architektur und den Qubitsystemen erfordern es manche Implementierungen, dass Ihre Qubits auf Temperaturen im Bereich des absoluten Nullpunkts gehalten werden.
Überlagerung, Interferenz und Verschränkung
Die Überlagerung gestattet es Quantenalgorithmen, andere quantenmechanische Phänomene wie Interferenz oder Verschränkung zu nutzen. Gemeinsam schaffen Überlagerung, Interferenz und Verschränkung eine Rechenleistung, mit der sich Probleme exponentiell schneller lösen lassen als mit klassischen Computern.
Interferenz
Interferenzen sind eine Folge von Überlagerungen. Qubitzustände können einander beeinträchtigen, da jeder Zustand durch eine Wahrscheinlichkeitsamplitude beschrieben wird – genau wie bei Wellenamplituden.
Konstruktive Interferenzen verstärken die Amplitude, während destruktive Interferenzen die Amplitude auslöschen. Diese Effekte werden in Quantencomputingalgorithmen verwendet, wodurch sich diese grundlegend von klassischen Algorithmen unterscheiden. Interferenzen werden gemeinsam mit Verschränkungen verwendet, um uns den Quantensprung zu ermöglichen, den uns das Quantencomputing versprochen hat.
Verschränkung
Mehrere Qubits können eine Quantenverschränkung bilden. Verschränkte Qubits korrelieren immer miteinander und bilden ein einzelnes System. Auch wenn Sie unendlich weit voneinander entfernt sind, können wir durch Messen des Status eines der Qubits den des anderen erkennen, ohne ihn direkt messen zu müssen.
Eine Verschränkung ist für jegliche Quantenberechnung unverzichtbar, kann aber auf einem klassischen Computer nicht effizient ausgeführt werden. Zu den Anwendungen zählen die Faktorisierung großer Zahlen (Shor-Algorithmus) und das Lösen von Suchproblemen (Grover-Algorithmus).
Die Zukunft der Qubits
Qubits sind fragil
Eine der größten Hürden beim Quantencomputing ist die fragile Natur von Qubits. Die Verschränkung des Qubitsystems mit seiner Umgebung, einschließlich der Messeinrichtung, kann das System leicht stören und eine Dekohärenz bewirken. Daher werden gegenwärtig Verbesserungen beim Hardwareaufbau für das Quantencomputing und bei Fehlerkorrekturmethoden entwickelt.
Topologische Qubits sind stabiler
Um das Problem der Fragilität zu bewältigen, verwendet Microsoft topologische Qubits, die durch Manipulation ihrer Struktur stabilisiert werden. Diese sind von chemischen Verbindungen umgeben, die sie vor äußeren Einflüssen schützen. Topologische Qubits sind aufgrund der Eigenschaften der Quasipartikeltopologie vor Störeinflüssen geschützt, sodass die Quantenhardware von Microsoft weniger fehleranfällig ist. Dank dieser höheren Stabilität kann der Quantencomputer auch längere und komplexere Berechnungen durchführen und Lösungen komplexer Probleme so in Reichweite bringen.
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