QuantenBit

Quantenbit (Qubit) ist die Grundeinheit der Quanteninformatik. Im Gegensatz zum klassischen Bit, das den Zustand 0 oder 1 annimmt, kann ein Qubit in einer Superposition aller linearen Kombinationen dieser Basiszustände existieren. Formal wird ein Qubit durch einen Vektor in einem zweidimensionalen Hilbertraum beschrieben: α|0⟩+β|1⟩ mit komplexen Koeffizienten α,β; die Normierung gilt |α|^2+|β|^2=1. Die Messung eines Qubits ergibt mit Wahrscheinlichkeiten |α|^2 bzw. |β|^2 den klassischen Zustand 0 bzw. 1 und zerstört typischerweise die Superposition.

Für mehrere Qubits entsteht ein zusammengesetzter Zustand im Tensorprodukt der Einzelräume; durch Verschränkung können Teile des Systems auch räumlich getrennt korreliert sein, ohne dass Informationen zwischen ihnen übertragen werden. Quantenlogik arbeitet durch Einheitsgatter, die Qubits aufeinander abbilden, so dass universelle Sätze von Gattern existieren (z. B. Hadamard-, Phasen- und CNOT-Gatter).

Mathematisch lässt sich der Zustand eines Qubits grafisch auf einer Bloch-Kugel darstellen; die Geometrie dient der Visualisierung einzelner Zustände. In der Praxis werden Qubits in verschiedenen physikalischen Plattformen realisiert, z. B. in supraleitenden Schaltungen (Transmon), gefangenen Ionen, Spins in Halbleitern oder Photonen. Typische Vorteile, Herausforderungen und Anforderungen betreffen Kohärenzzeiten, Fehlerquellen, Skalierbarkeit und Betrieb unter Kühlung (oft im Milli-Kelvin-Bereich).

Anwendungen umfassen Quantencomputing zur Lösung bestimmter Probleme, Quantenkommunikation mit Verschränkung und Quantenkryptographie wie QKD-Protokolle (z. B. BB84). Theoretisch wird die Machbarkeit durch die DiVincenzo-Kriterien umrissen, die Anforderungen an eine funktionsfähige Quantenhardware festlegen. Die Entwicklung läuft im Rahmen von Noisy-Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-Systemen, die aktuell eine beschränkte Anzahl von Qubits mit nicht perfekter Fehlerkorrektur nutzen.