Techniklexikon

Qubit

Quantenmechanik, Quantenbit, elementare Einheit der Quanteninformation (Quanteninformatik). Das Qubit ist das quantenmechanische Pendant zum klassischen, digitalen Bit, das der Informationsverarbeitung, Datenübertragung und -speicherung in »klassischen« Computern, Datenleitungen und Datenträgern dient. Das klassische Bit wird in der Praxis durch zwei verschiedene Zustände verwirklicht, z.B. zwei Spannungspegel in der Elektronik, Licht »an« oder »aus« beim Auslesen einer CD, zwei verschiedene Magnetisierungen  auf einer Diskette - symbolisch notiert als »1« oder »0«, wahr oder falsch, ja oder nein. In enger Analogie dazu besteht das Qubit aus zwei quantenmechanischen Zuständen,  und . Diese Zustände können beispielsweise zwei Energieniveaus in einem Atom sein, die horizontale und vertikale Polarisierung eines Photons oder zwei Spinorientierungen eines Elektrons oder Neutrons. Für die Manipulation der Qubits ist eine physikalische Wechselwirkung notwendig, mit deren Hilfe man die beiden Zustände kontrolliert miteinander koppeln kann, beispielsweise Laserlicht für die Kopplung atomarer Energieniveaus oder ein magnetisches Wechselfeld für die Kopplung von Spinzuständen. Das Qubit unterscheidet sich vom klassischen Bit nun dadurch, dass nach den Regeln der Quantenmechanik auch Superpositionszustände erlaubt sind: . Dabei sind  und  komplexe Zahlen und  und  die Wahrscheinlichkeiten, dass sich das Qubit im Zustand  bzw.  befindet. Daraus ergeben sich wichtige Konsequenzen für den Betrieb eines Quantencomputers: Da sich die Qubits gewissermassen in beiden Zuständen gleichzeitig befinden können, lassen sich Rechenschritte massiv parallel ausführen (»Quantenparallelität«). Die Verknüpfung mehrerer Qubits ergibt ein Quantengatter. Zum ersten Mal wurden solche Gatter Mitte der 90er Jahre mit Ionenfallen und mit Kernspins von Molekülen in einer Flüssigkeit verwirklicht.