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Was ist ein Qubit? Woraus ist es gemacht?

Ein Möglichkeitsraum aus Lösungen: Künstlerische Darstellung eines Qubits durch die Künstliche Intelligenz "Dall-E".

Ein Möglichkeitsraum aus Lösungen: Künstlerische Darstellung eines Qubits durch die Künstliche Intelligenz „Dall-E“.

Was ist ein Qubit?

Ein Qubit ist die kleines Informations- und Recheneinheit in einem Quantencomputer. Statt nur zwei kann es viele Werte gleichzeitig annehmen. In ihrer Funktion sind sie wie ein Möglichkeitsraum aus allen denkbaren Antworten auf eine Rechenaufgabe.

Qubits sind ein Kofferwort aus „Quanten“ und „Bit“. Ein „Bit“ wiederum ist die kleinste Informationseinheit in digitalen Rechnern und kann genau zwei Zustände einnehmen: 0 oder 1. In die Welt der klassischen elektrischen Schaltungen übersetzt entspricht die digitale Null einem ausgeschalteten Stromschalter, die Eins einem eingeschalteten Schalter.

Ein Qubit kann dagegen viele verschiedene Zustände gleichzeitig annehmen – also letztlich auch mehrere Zahlen darstellen. Dadurch können Quantencomputer bestimmte Rechenaufgaben auch schneller als Digitalcomputer erledigen: nämlich all die Aufgaben, bei denen der Computer viele verschiedene Möglichkeiten normalerweise nacheinander durchrechnen muss, sie alle gewissermaßen durchprobieren muss. Das kann zum Beispiel die Zerlegung von großen Zahlen in ihre Primzahlen-Faktoren – etwa für verschlüsselte Daten – oder Simulationen sein. Quantencomputer hingegen können verschiedene Lösungsmöglichkeiten gewissermaßen auf einmal ausprobieren.

IBM-Quantencomputer. Foto: Graham Carlow für IBM

IBM-Quantencomputer auf der Basis von Supraleit-Technik. Foto: Graham Carlow für IBM

Wie werden Qubits konstruiert?

Es gibt verschiedene Möglichkeit, die Elemente eines Quantencomputers in einen quantenmechanischen Zustand zu versetzen. Hier drei sehr übliche Beispiele:

  • Supraleitung: Bestimmte Legierungen leiten bei sehr tiefen Temperaturen Strom widerstandsfrei. Diese supraleitenden Elemente können sich wie Qubits verhalten. Sind diese Supraleiter durch sogenannte „Josephson“-Stromtunnel verbunden, nennt man sie „Superconducting quantum interference device“ (Squid).
  • Ionenfallen: Magnetfelder halten Atomrümpfe (Ionen) in der Schwebe. Hier fungieren die einzelnen im Kraftfeld gefangen Teilchen als Qubits.
  • Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (englisch: Nitrogen Vacancy Center = NVC) können zum Beispiel kleine Defekte in einem Diamanten-Kristallgitter sein, an denen sich Stickstoff-Atome an den Stellen eingenistet haben, an denen normalerweise Kohlenstoff-Atome sein müssten. Diese Fehlstellen verhalten sich wie Qubits.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: Oiger-Archiv, Interviel U. Vool, MPI-CPFS, Wikipedia

Der Saxonq-Quantencomputer (das eigentliche Herzstück ist rechts auf dem Tisch) beim Silicon-Saxony-Day 2022. Foto: Heiko Weckbrodt

Der Saxonq-Quantencomputer (das eigentliche Herzstück ist rechts auf dem Tisch) beim Silicon-Saxony-Day 2022. Foto: Heiko Weckbrodt

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