Quanteninformation

Quanteninformation ist ein Teilgebiet der Physik und Informatik, das Information durch die Gesetze der Quantenmechanik beschreibt und verarbeitet. Im Zentrum stehen Qubits, zweidimensionale Quantenzustände, die Überlagerungen und Verschränkung zeigen. Ein Qubit lässt sich als |ψ> = α|0> + β|1> mit |α|^2 + |β|^2 = 1 beschrieben. Mehrere Qubits bilden zusammengesetzte Systeme, deren Zustand nicht als Produkt einzelner Zustände geschrieben werden kann; Verschränkung ist eine zentrale Ressource.

Die Verarbeitung erfolgt durch unitäre Quantenlogikgatter; Messungen liefern Wahrscheinlichkeiten und zerstören in der Regel Superpositionen. Wesentliche Prinzipien sind Superposition, Interferenz, Verschränkung und das No-Cloning-Theorem, das das perfekte Kopieren unbekannter Zustände verbietet. Diese Eigenschaften eröffnen neue Modi der Kommunikation und Rechenleistung.

Anwendungsfelder umfassen Quantencomputing, Quantenkommunikation (z. B. Teleportation, Dense Coding) und Quantenkryptografie, deren Sicherheit auf Quantenprinzipien basiert (BB84, E91). Zudem werden Quanteninformationen in der Metrologie und in vernetzten Systemen genutzt, um Messgenauigkeit und Kopplungen zu verbessern.

Theoretisch wird Quanteninformation durch Konzepte wie Quantenkanäle, Kapazitäten, die Holevo-Grenze und Quantenfehlerkorrektur beschrieben; Codes wie Shor-Code und Steane-Code ermöglichen fehlerresistente Quantenrechnungen. Verschränkung dient als Ressourcenbasis für verteilte Rechen- und Kommunikationsaufgaben.