Qubit

Jeder normale Computer speichert Informationen in winzigen Schaltern. Ein solcher Schalter kennt genau zwei Zustände: an oder aus, geschrieben als 1 oder 0. Man nennt ihn ein Bit. Ein Qubit ist das Gegenstück dazu in einem Quantencomputer, also in einem Rechner, der die Gesetze der Physik sehr kleiner Teilchen ausnutzt. Der entscheidende Unterschied: Ein Qubit muss sich nicht für 0 oder 1 entscheiden, solange man nicht nachschaut. Es kann anteilig beides zugleich sein, zum Beispiel zu 70 Prozent 0 und zu 30 Prozent 1.

Warum acht Qubits mehr sind als acht Bits

Der Nutzen entsteht durch das Zusammenspiel vieler Qubits. Acht normale Bits speichern genau eine von 256 möglichen Zahlen. Acht Qubits können dagegen alle 256 Möglichkeiten gleichzeitig in sich tragen, jede mit einem eigenen Anteil. Kommt ein Qubit dazu, verdoppelt sich diese Zahl. Bei 300 Qubits gäbe es mehr Kombinationen, als es Atome im sichtbaren Universum gibt.

Daraus folgt aber kein Wunderrechner für alles. Man kann die vielen Möglichkeiten nicht einfach auslesen. Beim Messen bricht der Zustand zusammen, und man erhält nur ein einziges Ergebnis aus 0 und 1. Ein Quantenprogramm muss deshalb so aufgebaut sein, dass die falschen Möglichkeiten sich gegenseitig auslöschen und die richtige übrig bleibt. Das gelingt nur bei bestimmten Aufgabentypen.

Zwei Anwendungen gelten als besonders wichtig. Erstens das Knacken heutiger Verschlüsselung, die viele Banken und Messenger nutzen. Zweitens die Simulation von Molekülen, etwa für neue Medikamente oder bessere Batterien. Für Textverarbeitung, Videospiele oder das Training heutiger KI-Modelle bringt ein Quantencomputer dagegen nichts. Wer etwas anderes behauptet, verkauft meistens etwas.

Vom Atom zum Rechenschritt

Ein Qubit ist kein Bauteil aus dem Elektronikladen, sondern ein einzelnes physikalisches Objekt. Häufig sind das kleine supraleitende Stromkreise, die auf fast minus 273 Grad Celsius gekühlt werden. Andere Firmen nutzen einzelne gefangene Atome oder Lichtteilchen. Gerechnet wird, indem man diese Objekte mit Mikrowellen- oder Laserpulsen gezielt anstößt.

Besonders wichtig ist die Verschränkung. Dabei werden zwei Qubits so gekoppelt, dass ihre Zustände zusammenhängen. Misst man das eine, steht damit auch das Ergebnis des anderen fest. Erst durch solche Kopplungen entstehen Rechnungen, die ein klassischer Computer nicht nachahmen kann.

Das größte Problem heißt Dekohärenz. Qubits sind extrem empfindlich gegenüber Wärme, Erschütterung und Strahlung. Schon nach Sekundenbruchteilen geht ihr Zustand kaputt, und die Rechnung wird unbrauchbar. Als Gegenmittel bündelt man viele physische Qubits zu einem einzigen stabilen logischen Qubit, das Fehler selbst korrigiert. Je nach Verfahren braucht ein logisches Qubit hunderte oder tausende physische — deshalb sagt die reine Qubit-Zahl einer Maschine wenig über ihre Leistung aus.

Qubit-Zahlen in Schlagzeilen richtig lesen

In den Nachrichten taucht der Begriff meist als Rekordmeldung auf: IBM, Google oder ein Start-up stellt einen Chip mit einer neuen Qubit-Zahl vor. Aktuelle Systeme liegen im Bereich von einigen hundert bis über tausend physischen Qubits. Fehlerkorrigierte logische Qubits gibt es dagegen bisher nur eine Handvoll. Beim Lesen solcher Meldungen lohnt sich also die Frage, welche Art von Qubit gemeint ist.

Ein zweites Stichwort ist die Post-Quanten-Kryptografie. Weil künftige Quantencomputer heutige Verschlüsselung brechen könnten, stellen Behörden und Konzerne jetzt schon auf neue Verfahren um. Der Grund ist simpel: Daten, die heute abgefangen werden, könnten in zehn Jahren entschlüsselt werden. Diese Umstellung betrifft indirekt jeden, der online Bankgeschäfte macht.

Ausprobieren lässt sich das bereits ohne eigenes Labor. Mehrere Anbieter stellen echte Quantenchips über das Internet zur Verfügung, teils kostenlos für Schulen und Studierende. Man schreibt ein kleines Programm, schickt es an das Rechenzentrum und bekommt die Messergebnisse zurück. Ein eigener Quantencomputer im Wohnzimmer bleibt dagegen unrealistisch, allein wegen der nötigen Kühltechnik.