Quantenrechnungen

Quantenrechnungen bezeichnet die Durchführung von Berechnungen mit Quantenbits (Qubits). Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits dank Superposition mehrere Zustände zugleich repräsentieren, und Verschränkung erzeugt Korrelationen, die mit klassischen Systemen nicht erreichbar sind. In der Quanteninformatik werden logische Operationen durch Quanten-Gatter realisiert; der am weitesten verbreitete Referenzrahmen ist der Quanten-Schaltkreis. Die Messung liefert schließlich ein klassisches Ergebnis. Zentral für Quantenrechnungen sind Interferenzphänomene und die Notwendigkeit, Rauschen und Fehler im Verlauf der Berechnung zu kontrollieren.

Es gibt verschiedene Rechenmodelle: das Gate-Modell (Schaltkreis), adiabatisches Quantenrechnen/Quanten-Annealing und photonenbasierte Ansätze. Bekannte Algorithmen zeigen potenzielle Vorteile: Shors Algorithmus faktorisieren großer Zahlen effizienter als bekannte klassische Algorithmen, Grovers Algorithmus liefert eine quadratische Beschleunigung bei unstrukturierten Suchen. Wegen der Anfälligkeit gegen Fehler spielt Quantenfehlerkorrektur eine zentrale Rolle; in der Praxis erfordert Zuverlässigkeit oft mehr logische Qubits als physische Quantenbits, wodurch die Rede von Fehlertoleranz kommt.

Physische Umsetzungen nutzen Plattformen wie supraleitende Qubits, Ionenfallen oder Photonen. Der aktuelle Stand ist durch Rauschen und Skalierungsprobleme geprägt; viele Systeme operieren im Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-Bereich, in dem praktische Vorteile nur begrenzt sind. Historisch fußt das Feld auf Arbeiten von David Deutsch, Peter Shor und Lov Grover in den 1980er/1990er-Jahren; seit den 2010er-Jahren entstehen zunehmend kommerzielle Systeme von IBM, Google, Rigetti und D-Wave. Anwendungen reichen von Kryptographie über Simulationen von Molekülen bis hin zu Optimierungsaufgaben; langfristig wird an fehlerkorrigierten, skalierbaren Quantencomputern gearbeitet, die klassische Rechner in bestimmten Bereichen übertreffen könnten.