Elementare Einheit eines Quantencomputers Was ist ein Qubit / Qbit?

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Qubit ist die Kurzbezeichnung für Quantenbit. Bei einem Quantenbit handelt es sich um die elementare Informations- und Recheneinheit eines Quantencomputers. Das Qubit folgt den Gesetzen der Quantenmechanik. Durch Überlagerung kann das Qubit zur gleichen Zeit mehrere Zustände annehmen.

Das Kürzel Qubit steht für Quantenbit. Manchmal wird auch die Kurzbezeichnung Qbit verwendet.

Das Qubit ist durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben. Es ist die elementare und kleinstmögliche Informations- und Recheneinheit eines Quantencomputers. Durch Überlagerung kann es mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Erst durch Auslesen (Messen) wird der Zustand des Qubits festgelegt. Darin unterscheidet es sich vom herkömmlichen Bit, das die kleinste Informations- und Recheneinheit eines gewöhnlichen Computers ist. Der Zustand eines herkömmlichen Bits ist entweder 1 oder 0. Durch die quantenmechanischen Eigenschaften des Qubits lassen sich schon mit wenigen Quantenbits enorme Rechenleistungen erzielen.

Eigenschaften eines Qubits

Die Eigenschaften eines Qubits sind von den drei Prinzipien der Quantenmechanik Superposition, Verschränkung und Zustandsreduktion gekennzeichnet.

Superposition beschreibt die Eigenschaft des Quantenbits, gleichzeitig mehrere Zustände annehmen zu können. Das Qubit kann die Zustände 1 und 0 und beliebige Zwischenzustände haben.

Verschränkte Quantenbits beeinflussen sich ohne Zeitverzug und räumliche Begrenzung gegenseitig. Eine Änderung an einem Quantenbit wirkt sich auf das verschränkte Quantenbit aus.

Mit Zustandsreduktion ist der Kollaps der Wellenfunktion beim Messen gemeint. Wird ein Quantenbit gemessen, legt es sich für einen der Zustände 0 oder 1 fest.

Bits und Qubits als Funktionsbasis von Computern

Herkömmliche Bits können entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen. Diese Zustände werden über die Spannungspegel von Halbleiterschaltkreisen abgebildet. In gewöhnlichen Computern sind viele Bits logisch miteinander verknüpft. Die logischen Grundfunktionen sind UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen. Mithilfe der beiden Bit-Zustände und der logischen Verknüpfungen lassen sich Rechenoperationen ausführen. Die Kombination vieler Rechenoperationen bildet die Funktionsbasis von Computerprogrammen mit ihren Befehlen und Formeln.

Im Vergleich zu herkömmlichen Bits vervielfachen Qubits aufgrund ihrer quantenmechanischen Eigenschaften die Rechenleistung eines Quantencomputers. Da sie mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können, lassen sich mit der gleichen Anzahl an Qubits viel mehr Informationen speichern oder Rechenoperationen darstellen. Die Rechenleistung steigt exponentiell mit der Anzahl der Qubits.

Technische Implementierungsmöglichkeiten von Qubits

Qubits lassen sich heute nicht mehr nur theoretisch beschreiben, sondern auch technisch realisieren. Mittlerweile existiert eine ganze Reihe von technischen Implementierungsmöglichkeiten. Sie haben aber größtenteils noch experimentellen Charakter und sind für den kommerziellen Einsatz kaum von Bedeutung.

Beispiele für technische Realisierungen von Qubits sind:

• Ionen in Ionenfallen,

• Elektronen in Halbleiterstrukturen,

• Systeme aus Supraleitern,

• Manipulation und Messung der Spins von Atomkernen,

• Polarisation von Photonen und verschränkte Vielphotonenzustände.

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