Quantenrechner

Quantenrechner sind Computer, die Informationen in Quantenbits speichern und verarbeiten. Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits Superpositionen einnehmen und durch Verschränkung miteinander korreliert sein. Rechenoperationen erfolgen über universelle Quantenlogik-Gatter, deren Folge ein Quantenprogramm bildet. Messungen liefern probabilistische Ergebnisse, deren Statistik durch Interferenz gesteuert wird.

Eine universelle Architektur verwendet ein Gate-Set aus ein- und zweiqubit-Gattern, zum Beispiel Hadamard-, Phasen- und CNOT-Gatter. In idealen Geräten ließen sich beliebige Quantenalgorithmen ausführen. In der Praxis sind Systeme störanfällig durch Rauschen und Kopplung mit der Umgebung; Fehlerkorrektur ist zentral für Fehlerfreiheit.

Zu den Architekturen gehören gate-basierte Quantenrechner mit supraleitenden Qubits, gefangenen Ionen, fotonischen Qubits oder Spins, sowie Quantenannealer, die für Optimierungsprobleme genutzt werden. Viele Systeme arbeiten in kryogenen Umgebungen. Derzeit befinden sich Quantencomputer im Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) Stadium, mit einer begrenzten Anzahl von Qubits und hohen Fehlerraten; gute Skalierung erfordert Fehlerkorrektur und logische Qubits.

Anwendungsfelder umfassen Quantenfaktorisierung (Shor), Quanten-Suche (Grover), Simulation von Quantenmaterialien und chemischen Reaktionen sowie Optimierungsprobleme. Praktische Vorteile entstehen oft erst in Hybridansätzen, die Quantenprozessoren mit klassischen Rechnern kombinieren (z. B. Variational Quantum Eigensolver, Quantum Approximate Optimization Algorithm).

Historisch entstand die Idee in den 1980er Jahren; Grundlagenarbeiten von Feynman, Deutsch und Shor legten den Grundstein. Seit den 2000er Jahren wurden Prototypen entwickelt; heute arbeiten größere Forschungsinstitute und Unternehmen an skalierbaren Systemen und an Fehlerkorrekturmethoden.