Was ist ein Qubit?

Es handelt sich um die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputing

Qubits im Detail

So wie ein binäres Bit die grundlegende Einheit von Informationen in klassischem (oder herkömmlichem) Computing ist, ist ein Qubit („Quantenbit“) die grundlegende Einheit von Informationen im Quantencomputing. Das Quantencomputing treibt neue Entdeckungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Energie, Umwelt, Smart Materials usw. voran.

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<sup>500</sup> 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 Beschränkungen 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

Je weiter die Quantentechnologien entwickelt werden, desto stärker nähern wir uns Lösungen für die komplexesten Probleme der Welt an. Zwar bietet dieses neue Paradigma ein ungeheures Potenzial, doch steckt das Quantencomputing noch in den Kinderschuhen.

Qubits sind fragil

Eine der größten Hürden bei der Quanteninformatik ist die fragile Natur von Qubits. Die Verschränkung des Qubit-Systems 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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