Monat: Dezember 2020

Die drei zentralen Phänomene des Quanten-Computings:

• Superposition oder auch Kohärenz (en.: superposition)
  Die Position in Raum und Zeit quantifizierter Teilchen (in Raum und Zeit), sich mit einer gewissen Wahrscheinlichtkeit in dem einen Energieniveau oder den einen physikalischen Zustand zu positionieren und einer gewissen Wahrscheinlichkeit, sich in einem anderen Energieniveau oder einen anderen physikalischen Zustand zu positionieren.
  Alle möglichen Positionen eines quantifizierten Teilchens fasst die Wissenschaft momentan in einer Wellenfunktion Ψ zusammen. Die real meßbare Wahrscheinlichkeit zu jeder dieser Positionen wird dabei erst durch Quadrierung der Wellenfunktion erlangt.
   
• Quantenmessung oder Dekohärenz (en.: quantum measurement)
  Die wissenschaftlichen Theorien der Quantenphysik analysieren das Problem eines Energieniveaus oder physikalischen Zustands, bei welchem mehr Energie vorhanden ist als für „den Grundzustand“ notwendig, aber zu wenig, um ein nächstes Level zu erreichen. Ist zum Beispiel 30 Prozent mehr Energie „bei einem Teilchen“ vorhanden, „befinden“ sich 70 von 100 Teilchen bei einer Messung weiterhin im Grundzustand. „Hat“ ein Teilchen dagegen 70 Prozent mehr Energie, wird es bei 70 Prozent der Messungen im anderen Zustand wieder gefunden. Die Messung „findet“ das Teilchen entweder in dem einen oder in dem anderen Zustand, da die Messung das Teilchen in den einen oder anderen Zustand hinein drückt, in dem es bis zur Messung möglicherweise nicht war. Im kurzen Fachjargon: bei einer physikalischen Messung kollabiert die Superposition. Frei interpretiert: Messung entquantifiziert Teilchen.
  In der Quanteninterferenz (en.: quantum interference) manifestieren sich Wellen- und Teilchencharakter: wie Wellen überlagern sich Wahrscheinlichkeiten der Positionen quantifizierter Teilchen und beeinflussen ihre Amplituden. Die Messung selbst beendet die Interferenz, unterdrückt die Kohärenzeigenschaften quantenmechanischer Zustände – und bestimmt somit die Position der gemessenen Teilchen mit. Das gilt auch im Fall eines verzögerten Messprozesses – das heißt: wenn quantifizierte Teilchen sich für einen Weg von vielen möglichen entscheiden, verhalten sie sich selbst dann nicht kohärent, wenn erst nach der Entscheidung gemessen wird. Das kann z.B. mit der Änderung des Interferenzmusters nach einer Beugung von Elektronen am Doppelspalt mit und ohne verzögerter Messung und weiteren physikalischen Versuchsaufbauten nachgewiesen werden: alle determinieren den indeterministischen Charakter!
   
  Ein Qubit ist – analog zu einem Bit in Binärsystemen – die Information 0 oder 1 in Superposition. Je nach „Art der Messung“ bzw. „Quanteninterferenz-Filter“ positioniert sich der Qubit-Wert auf 0 oder 1. Dazu führen in den vorhandenen Quanten-Computern der Frühphase momentan Aufbauten wie Quantum Register im Zusammenspiel mit einem Classical Register, Kombinationen von Quantum Gates ähnlich den bekannten logischen Operationen AND, OR, NOT, and XOR (siehe: Linear algebra for quantum computing) im Rahmen eines Quantum Circuits, welches an ein Quantum Backend geschickt, ausgewertet und die Auswertung per Quantum Verification überprüft wird.
   
• Verschränkung (en.: entanglement)
  Zwei oder mehr quantifizierte Teilchen können sich miteinander verschränken: damit bilden sie einen Verbund, so dass der Quantenzustand eines der verschränkten Partikel nicht mehr unabhängig von den Quantenzuständen der anderen Teilchen beschrieben werden kann. Das bedeutet, jeder Eingriff oder jeder Prozess, der eines der verschränkten Teilchen betrifft, korreliert mit den anderen Teilchen. Findet eine Messung eines verschränkten Teilchens statt, sind alle Teilchen im Verbund von der Dekohärenz betroffen, unabhängig von der räumlichen Position, auch wenn die Teilchen Lichtjahre voneinander entfernt sind.

 
Aus den genannten Phänomenen resultiert bei Messung des Zustandes eines Qubits, dass gleichzeitig Informationen über die Zustände aller mit diesem verschränkten Qubits gewonnen werden. Darin liegt der Vorteil von Quanten-Computern im Vergleich zu den bisher entwickelten Binär-Rechnern; ein „Kern“ eines Quanten-Computers kann damit theoretisch unzählbare Kerne schlagen, die Berechnungen im binären System vornehmen.