Teilchen für Quantencomputer

Was ist ein Qubit?

| Autor / Redakteur: Otto Geißler / Ulrike Ostler

Die Quantenphysik beschäftigt sich mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen. Ein Quant ist ein Teilchen, das sich nach der Auffassung der Physik nicht mehr teilen lässt.
Die Quantenphysik beschäftigt sich mit dem Verhalten und der Wechselwirkung kleinster Teilchen. Ein Quant ist ein Teilchen, das sich nach der Auffassung der Physik nicht mehr teilen lässt. (Bild: © djama - stock.adob.com)

Qubits (Quantenbits) sind die elementaren Recheneinheiten eines Quantencomputers. Sie können im Vergleich zu den herkömmlichen Bits mehr Informationen als nur 1 oder 0 speichern. Das heißt: Quantenbits existieren auch in einer Überlagerung dieser Werte.

Die kleinsten Speicherelemente auf einem Rechner, die so genannten Bits, nehmen nur jeweils zwei unterschiedliche Werte an: Null und Eins. Man könnte auch sagen: Strom fließt oder nicht beziehungsweise „ein“ und „aus“. Qubits sind jedoch für eine bestimmte Dauer (Kohärenzzeit) dazu in der Lage, sich in einen Zwischenzustand aus Null und Eins zu begeben. Die Wissenschaft nennt dies eine „Superposition“.

Durch eine Messung (Zugriff) wird aus dem Qubit dann eines der beiden definierten Zustände und das Messergebnis kann in einem herkömmlichen Bit gespeichert werden. Den Verlust einer solchen Superposition wird dann als eine „Dekohärenz“ bezeichnet. Daraus kann man schließen: Die normalen beziehungsweise elektronischen Bits sind im Grunde stets definiert, während Qubits erst bei einer Messung einen bestimmten Zustand einnehmen.

In der Welt der Quantenphysik verändert sich also der Zustand oder auch die Eigenschaft eines Teilchens, wenn man darauf zugreift. Zum Beispiel, um es zu messen beziehungsweise seinen Zustand abzufragen oder seinen aktuellen Ort zu bestimmten. Das ist eine Tatsache, in der sich die Quantenphysik von der klassischen Physik deutlich unterscheidet. Da diese Phänomene in unserem Alltag so nicht anzutreffen sind, gelten die Überlegungen der Quantenphysik für viele Menschen als nur schwer zugänglich.

Qubits in Quantencomputer

Hier taucht sogleich die Frage auf, wie man mit diesen sich ändernden Zuständen der Qubits überhaupt Informationen verarbeiten kann. Das heißt: Wie soll man mit Qubits umgehen, wenn man deren Zustände eigentlich gar nicht kennt? Als bildhaftes Beispiel kann man sich eine Kugel vorstellen, bei der sich die herkömmlichen Zustände von Eins und Null jeweils an einem Pol der Kugel befinden.

Das heißt, die „normalen“ Bits treten quasi nur an dem einen oder anderen Punkt auf. Qubits können allerdings auf jedem Punkt der Oberfläche anzutreffen sein. Der Clou ist, dieses Paradigma macht einen Quantencomputer deutlich leistungsstärker, da Qubits in mehreren Zuständen gleichzeitig vorkommen und somit eine inhärente Parallelität aufweisen. Dies hat zur Folge, dass Quantencomputer Millionen Dinge zur gleichen Zeit ausführen können, während ein herkömmlicher Rechner immer nur mit einer Sache gleichzeitig beschäftigt sein kann.

Quantencomputer – Probleme und Lösungen

Kein Wunder, wenn viele Experten hierfür einen weiteren Meilenstein im Bereich der Rechenleistung voraussagen. Andererseits konnten Quantencomputer auf Grund der enormen Kosten bislang noch nicht kommerzialisiert werden. Sollte dies einmal möglich sein, so lägen die Aufgaben bestimmt auch im Bereich der Big-Data- und KI-Projekte. Vor allem große Datenmengen und komplexe Aufgaben lassen sich mit solchen Rechnern rasend schnell bewältigen. Dafür qualifizieren sich unter anderem Einsatzfelder für die Meteorologie, Gentechnik und Krebsforschung.

Eine Herausforderung wird unter anderem die Entwicklung geeigneter Tools sein, die das Codieren der Rechner ermöglichen oder vereinfachen sollen. Zudem wirft die Superposition das Problem auf, dass der Weg der Daten von der Eingabe bis zur Ausgabe nicht beobachtet werden kann. Dies macht das Programmieren vergleichsweise deutlich komplizierter – vor allem auch im Hinblick auf das Debugging. Microsoft soll bereits an einer Software-Architektur und Tool-Suite speziell für Quantencomputer arbeiten.

Quantencomputer können natürlich auch sehr leicht für cyber-kriminelle Aktivitäten missbraucht werden. Während herkömmliche Rechner bisweilen vor enorme Schwierigkeiten gestellt werden, komplexe mathematische Probleme in einer überschaubaren Zeitspanne zu lösen, geht das gerade mit den Quantencomputern sehr schnell. Zum Beispiel was Verschlüsselungen im E-Commerce- und Banking-Bereich angehen.

Und sogleich melden sich Bedenkenträger zu Wort: Laut der Cloud Security Alliance lassen sich in den nächsten 15 Jahre alle Public-Key-Infrastrukturen (PKI), die auf Online-Security aufgebaut sind, problemlos hacken und so die gesamte Weltwirtschaft in Schwierigkeiten bringen. IT-Unternehmen wie zum Beispiel Google arbeiten bereits an Lösungen für eine quantenresistente Verschlüsselung. Eine davon nennt sich „Qubit-Cryptography“.

Mit Quanten Computing beschäftigen sich unter anderem weitere namhafte Player wie Google, D-Wave, Microsoft, IBM-Q (Quantum Computung as-a-Service), 1Qbit, Rigetti Computing, Intel und AT & T (Quanten-Vernetzung mit CALTECH). Darüber hinaus soll die NSA eigene Quantencomputer entwickeln

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