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8 2025 www markttechnik de 13 Zum Rechnen verwenden wir verschiedene Gatter mit denen sich beliebige logische Verknüpfungen erstellen lassen ähnlich sich wie in der Digitaltechnik aus NAND-Gattern beliebige logische Verknüpfungen erstellen lassen Gerechnet werden kann sowohl mit Gattern die auf jeweils einem Qubit operieren und mit solchen die auf verschränkten Qubits also mindestens auf zweien operieren Man kann einen Algorithmus mit nur Single-Qubit-Gattern implementieren für einen sinnvollen Algorithmus wird man aber wenigstens Zwei-Qubit-Gatter benötigen Der sogenannte Grover-Algorithmus zur Suche in einer unsortierten Datenbank funktioniert beispielsweise mit 3-Qubit-Gattern Ein Gate-Set ist eine Kenngröße eines Quantencomputers und gibt den Satz an möglichen Einzel-Qubit-Zwei-Qubitoder eben Multi-Qubit-Gates an Kann man sich Qubit-Gatter ungefähr so vorstellen wie klassische Gatter aus Transistoren? Quantengatter können mit elektronischen Gattern verglichen werden die die elementaren Operationen eines klassischen Computers ausführen sind aber typischerweise keine physikalischen Bauelemente wie Transistoren Sie sind vielmehr zeitlich kontrollierbare Wechselwirkungen der Qubits untereinander oder mit ihrer Umgebung die ein System von Qubits von einem klar definierten Anfangszustand in einen neuen am Ende auslesbaren Zustand überführen Während der gesamten Prozedur darf das Qubit durch äußere Einwirkungen und durch Manipulationen nicht aus dem überlagerten bzw verschränkten Zustand zurückfallen sonst ist der gesamte Vorgang verloren? Die Zustände der Qubits dürfen nicht durch äußere Störungen beeinflusst werden Die Kohärenzzeit die je nach Bauart heute im Mikrobis Millisekundenbereich liegt gibt an wie lange ein Qubit bzw ein Quantencomputer für eine Rechnung einsatzfähig ist Bei Ionen fallen liegt die Kohärenzzeit höher als etwa bei supraleitenden Qubits Das wäre ein Vorteil für die Ionenfallen Dafür dauert es bei den Ionenfallen aber länger die Quantengatter zu verschalten das ist ein Nachteil Es reicht also nicht nur die Hardware-Plattform zu betrachten es kommt auf alle Elemente an aus denen sich das Gesamtsystem zusammensetzt? Ja ausgehend von der Hardware über die Steuerung bis hin zu den Algorithmen und der Software muss alles optimiert und aufeinander abgestimmt werden wir sprechen vom Full-Stack-Ansatz Durch die Optimierung von Algorithmen kann z Bdie Anzahl der benötigten Qubits oder Rechenschritte je nach Plattform reduziert werden Oft heißt es in digitalen Prozessoren wird mit 0 und 1 gerechnet Qubits dagegen würden nicht nur den Zustand 0 und 1 einnehmen sondern unendlich viele Zustände und deshalb ginge alles schneller Das erklärt auf den ersten Blick nicht viel – wie wird denn mit Qubits in der Realität gerechnet? In Algorithmen definierte Quantengatter führen Operationen auf einzelnen oder mehreren Qubits aus und überführen einen Anfangszustand in einen neuen Zustand ohne jedoch den tatsächlichen Zustand selbst zu messen So können mit Hilfe von Überlagerungszuständen und Verschränkung komplexe Zusammenhänge abgebildet werden bis bei einer abschließenden Messung jedes Qubit wieder nur den Zustand 0 oder 1 annehmen kann man spricht vom Kollabieren der Wellenfunktion Die berühmte Wellenfunktion kollabiert also – und es kommt ein klassisches Bit heraus entweder 1 oder 0 Was hat man davon? Nachdem der Zustand gemessen wurde tritt der »richtige Zustand« mit einer theoretisch nach den Gesetzen der Quantenmechanik ermittelten gewissen Wahrscheinlichkeit auf Deshalb muss diese Operation mehrfach wiederholt werden Geschieht dies oft genug so setzt sich das richtige Ergebnis mit einer statistisch signifikanten Wahrscheinlichkeit durch Das dauert zwar seine Zeit Aber im klassischen Computer müssten tatsächlich alle möglichen Zustände die eintreten können durchgespielt werden um den richtigen zu finden Das dauert bei komplexen Systemen mit sehr vielen Möglichkeiten selbst mit Supercomputern unter Umständen viele Jahre Die Quantencomputer können also ihre Überlegenheit nur bei bestimmten Problemklassen mit hoher Komplexität ausspielen? Ja ein gutes Beispiel dafür ist wie ein Quantencomputer die RSA-Verschlüsselung knackt Denn selbst den besten digitalen Supercomputern ist es unmöglich eine hinreichend gut verschlüsselte RSA-Nachricht in endlicher Zeit zu entschlüsseln Ausreichend leistungsfähige Quantencomputer könnten diese Aufgabe in Zukunft in wenigen Minuten oder sogar Sekunden erledigen In diesem Sinne erklärt man gerne dass die klassischen Computer mit 0 und 1 rechnen – also mit nur zwei Zuständen – während in Qubits gleichzeitig alle möglichen Zustände zwischen 0 und 1 überlagert sind und man deshalb in gewissem Sinne auch mehrere Möglichkeiten »gleichzeitig« rechnen kann Man muss den Vorgang aber so oft wiederholen bis sich das richtige Ergebnis statistisch heraushebt Häufig wird die Zahl der Qubits als das wichtige Kriterium angegeben Je höher sie ist umso besser wäre ein Quantencomputer dafür geeignet wirklich sinnvolle Aufgaben zu lösen und sie tatsächlich deutlich schneller zu lösen als das selbst die besten herkömmlichen digitalen Supercomputer könnten um schließlich die Quantum Supremacy bzw die Quantenüberlegenheit zu erreichen Aber es gibt noch einige weitere Parameter die hineinspielen die Zahl der Qubits allein sagt nicht viel aus? Es kommt auch auf die Zahl der Qubits an aber bei weitem nicht nur Eine große Rolle spielt die Qualität der Qubits und Quantengatter auch Fidelity genannt Und es kommt darauf an wie die Qubits verknüpft sind Connectivity und wie sie verschränkt werden können Das alles ist von Plattform zu Plattform unterschiedlich Die Fragen stellte Heinz Arnold Mehr zum Thema Quantentechnologien und den Aktivitäten des Munich Quantum Valley erfahren Sie im internationalen Jahr der Quantenphysik 2025 auf der World of Quantum vom 24 bis 27 Juni in München Bereits zum dritten Mal ist München der Treffpunkt der internationalen Quantencommunity Auf der weltweit größten Fachmesse für Quanten technologie präsentieren und diskutieren führende Akteure aus Industrie und Forschung die wichtigsten Trends Innovationen und Visionen dieser wegweisenden Zukunftstechnologie Parallel finden die Laser World of Photonics der World of Photonics Congress sowie die automatica statt ha MQV auf der World of Quantum