Quanteninformationsprozesse

Quanteninformationsprozesse beziehen sich auf die Erzeugung, Speicherung, Übertragung und Verarbeitung von Informationen mithilfe quantenmechanischer Systeme. Typische Träger sind Qubits, die sich in Überlagerungszuständen befinden und durch Verschränkung korreliert werden können. Im Gegensatz zu klassischen Informationsprozessen beruhen sie auf Phänomenen wie Superposition, Interferenz und Messung, die Informationseigenschaften beeinflussen.

Ein Qubit besitzt Zustände, die weder rein 0 noch 1 sind, sondern als Linearkombination der Basiszustände beschrieben werden. Die Vielfalt möglicher Zustände führt zu Phasenbeziehungen und Interferenzmustern. Die No-Cloning-Theorie verhindert exakte Kopien; Messungen liefern probabilistische Ergebnisse, wobei die Ausgangsverteilung durch den Zustand bestimmt wird.

Quantenlogikgatter implementieren reversible Operationen auf Qubits. Quantencomputing nutzt Quantenregister und Schaltkreise; universelle Gattermodelle ermöglichen die Ausführung beliebiger Quantenalgorithmen. Shors Algorithmus (Faktorisierung, Kryptographie) und Grovers Algorithmus (Suchprobleme) zeigen theoretische Geschwindigkeitsvorteile gegenüber klassischen Verfahren. Praktisch begrenzt durch Fehlerraten und Dekohärenz.

Quantenkommunikation nutzt verschränkte Zustände und Quantenkanäle, um Informationen sicher zu übertragen. Protokolle wie Quanten-Teleportation und Quanten-Schlüsselverteilung (QKD) ermöglichen sicheren Austausch von Schlüsselmaterial. Photonen eignen sich als Träger über lange Distanzen; Netzwerkprotokolle verknüpfen Knoten weltweit.

Eine zentrale Herausforderung ist Dekohärenz durch Umweltwechsel, die Quanteninformationen rasch zerstören. Quantenfehlerkorrektur und fehlertolerante Architekturen sind Gegenmaßnahmen. No-Cloning, no-signalling setzen fundamentale Beschränkungen. Entwicklung in der NISQ-Ära.

Physikalische Implementierungen erfolgen in supraleitenden Quantenbits, Ionenfallen, photonischen Systemen. Forschungsfragen betreffen Skalierbarkeit, Kopplung von Modulen, Fehlerquoten und Betriebskosten. Gegenwärtig existieren Prototypen kleiner Prozessoren; umfassende, fehlerfreie Systeme sind Gegenstand laufender Forschung.