Quanten-Wissen

Die Recheneinheiten von Quantencomputern heißen Quantenbits, kurz Qubits. Sie sind das Pendant zu den Bits bei klassischen Computern. Allerdings kann ein Computerbit nur den Wert Eins oder Null annehmen. Das ist wie bei einem An-/Aus-Schalter. Ein Qubit kann beide Werte gleichzeitig annehmen. Das liegt daran, dass die Informationsträger Atome, Elektronen oder andere Objekte des Mikrokosmos sind und diese den komplexen Regeln der Quantenphysik gehorchen.

Zwei Phänomene der Quantenphysik werden für Quantencomputer genutzt: die Überlagerung, auch Superposition genannt, und die Verschränkung. Diese Quantenzustände sind allerdings sehr fragil. Sie müssen vor äußeren Störfaktoren wie Wärme oder Strahlung geschützt werden, sonst lösen sie sich binnen kurzer Zeit wieder auf. Das führt zu Fehlern bei Berechnungen.

Es gibt mehrere vielversprechende Ansätze, Qubits zu erzeugen, siehe Qubit-Typen.

Quantenobjekte besitzen die Eigenschaften von Wellen. Sie können sich daher selbst überlagern. Diesen Überlagerungszustand nennt die Physik „in Superposition“ sein. Die Folge: Quantenobjekte können einen nicht eindeutigen Zustand oder mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Ein Qubit kann daher gleichzeitig die Werte Null und Eins annehmen, aber auch beliebige Werte zwischen Null und Eins.

Quantenobjekte können sich außerdem verschränken. Das bedeutet, sie wechselwirken miteinander. Wird ein Qubit beeinflusst, wirkt sich das genauso auf seinen verschränkten Partner aus. Aus vielen verschränkten Qubits lässt sich so ein größeres Gesamtsystem bilden – ein riesiger Informationsträger. Doch je mehr Qubits miteinander verbunden sind, desto fragiler wird ihr gemeinsamer Quantenzustand.

Um eine Berechnung mit vielen Qubits durchzuführen, müssen sich diese in Superposition befinden und verschränkt sein – also in einem sogenannten quantenkohärenten Zustand. Durch die Koppelung der beiden Phänomene sind Quantencomputer in der Lage, mit jedem Schaltvorgang viele Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen.

Hier werden Qubits aus Strömen erzeugt, die widerstandslos in Schaltkreisen aus supraleitenden Materialien fließen. Dieser Ansatz gilt derzeit als führend. Auf ihn setzen zum Beispiel Google und IBM. Bei diesen Qubits ist allerdings noch unklar, ob sich damit Computer mit tausenden Qubits entwickeln lassen.

Dieser Typ besteht aus mehreren halbleitenden Schichten. Aufgrund des speziellen Schichtaufbaus existiert eine Ebene, auf der sich Elektronen hin- und herbewegen, ohne die Ebene verlassen zu können. Quantenchips mit Halbleiter-Qubits sind besonders eng mit den Chips der heutigen Mikroelektronik verwandt sind. Die umfangreichen Erfahrungen mit der Mikrochip-Produktion könnten helfen, Quantenchips mit sehr vielen Halbleiter-Qubits zu entwickeln.

Bei Ionenfallen werden einzelne Ionen mittels elektromagnetischer Felder im Vakuum aneinandergereiht – wie bei einer Perlenkette.

Dieser Typ besteht aus zwei Quantenmaterialien. Er gilt als deutlich stabiler als die empfindlichen und daher fehleranfälligen halb- oder supraleitenden Qubits. Die Forschung steht aber noch am Anfang. Jülicher Forscher:innen ist es etwa vor Kurzem als Ersten gelungen, einen topologischen Isolator in ein konventionelles supraleitendes Qubit zu integrieren.

Ein Quantensimulator ist eine Art abgespeckter Quantencomputer – also auch ein Quantensystem, aber weniger flexibel und nur für bestimmte Probleme geeignet. Dazu zählen etwa Untersuchungen, bei denen viele Teilchen miteinander wechselwirken. Im Grunde geht es darum, mit einem bekannten, kontrollierbaren Quantensystem ein anderes, meist komplexeres Quantensystem zu simulieren.

Ein Quantenannealer nutzt wie andere Quantencomputer die Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen. Aber Annealer sind nicht universell programmierbar, sondern Spezialisten für das Optimieren von Aufgaben und Prozessen, zum Beispiel um Lieferketten zu vereinfachen oder Verkehrsflüsse zu steuern.

Sie sind sozusagen die Königsklasse der Quantensysteme und – so die Hoffnung – künftig in der Lage, komplexe Aufgaben zu lösen, an denen heutige Supercomputer scheitern. Fachleute sprechen von „universell programmierbaren Quantencomputern“ – also von Quantencomputern, die jede Berechnung ausführen können, die irgendein Computer ausführen kann.

Emulatoren sind Programme, die auf gewöhnlichen Computern laufen und Quantencomputer nachahmen. So lassen sich zum Beispiel schon heute Algorithmen testen, die künftig auf Quantencomputern laufen sollen.