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Was ist eigentlich Materie? (4/4) 
Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Dieser Beitrag basiert auf einer Artikel-Reihe des Informatikers Christian Sy

Quantencomputer gelten als eine der spannendsten Technologien unserer Zeit. Statt gewöhnlichen Bits nutzen sie Quantenbits bzw. "Qubits", die dank Überlagerung und Verschränkung völlig neue Rechenwege ermöglichen. Dieser kurze Artikel erklärt das grundlegende Prinzip hinter Quantencomputing in einfachen Worten und ohne Mathematik.

Inhaltsübersicht:

  1. Quantensysteme und Qubits
  2. Was ist ein Quantenalgorithmus?
  3. Weiterführende Informationen und Buchtipps

1) Quantensysteme und Qubits

IBM Quantencomputer. Bildquelle: Lars Plugmann (CC BY-SA 2.0)

Quantencomputer sind bestimmte Ausprägungen eines Quantensystems. Dieses besteht aus einer kontrollierten Umgebung mit einer Menge von Quantenteilchen, z.B. mehreren Photonen oder mehreren Elektronen.

Die Schwierigkeit bei Quantencomputern besteht darin, die Quanten einerseits von ungewünschten Umwelteinflüssen abzuschirmen, andererseits aber kontrollierte Zustandsveränderungen zu erlauben (denn sonst könnte man das System ja nicht sinnvoll nutzen). Diese Systeme müssen deshalb sehr stark gekühlt werden.

Aufgrund des komplizierten Aufbaus und der damit verbundenen Kosten eines Quantencomputers sind die meisten dieser Systeme bei großen Firmen oder Regierungen installiert.

Bei der Funktionsweise eines Quantencomputers nutzt man physikalische Eigenschaften wie den Elektronenspin: Beim Messen dieser Eigenschaft kann der Spin entweder "Up" oder "Down" sein. Diese beiden Zustände werden im Quantencomputer auf sogenannte Qubits abgebildet.

Als Qubit bezeichnet man die kleinste Informationseinheit in der Quanteninformatik. Es kann anders als ein gewöhnliches Bit nicht nur die Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch Zustände "dazwischen", also Überlagerungen von 0 und 1.

Genau diese Eigenschaft macht Quantencomputer so besonders im Vergleich zu herkömmlichen Computern. Dahinter steckt das quantenphysikalische Phänomen der Superposition. In der Quantenphysik treten Zustände von Teilchen als Wahrscheinlichkeiten auf, somit befindet sich das Teilchen in einem "überlagerten Zustand" (vereinfacht ausgedrückt z.B. 75% Wahrscheinlichkeit Spin-Up, 25% Wahrscheinlichkeit Spin-Down). Erst wenn eine Messung erfolgt, "entscheidet" sich das Teilchen für genau einen dieser Zustände (zu den Themen Superposition, Wahrscheinlichkeiten und zur Rolle des Messvorgangs in der Quantenphysik finden Sie genauere Informationen auf unserer Artikelseite zum Doppelspaltexperiment).

Der Trick beim Quantencomputing besteht nun darin, dem Benutzer Möglichkeiten zu bieten, den Zustand eines Teilchens (und damit eines "Qubits") kontrolliert zu beeinflussen, OHNE bereits eine Messung vorzunehmen, sodass man mit einer Überlagerung von Zuständen operieren kann. Denn das bringt einen entscheidenden Vorteil mit sich:

Solange das Teilchen im überlagerten Zustand ist, können Berechnungen vereinfacht ausgedrückt mit beiden Werten "simultan" durchgeführt werden. Dadurch kann man eine große Menge unterschiedlicher Werte verarbeiten. 

Konkret: Mit einem Qubit kann man zwei Zustände verarbeiten (0/1). Mit 8 Qubits sind es schon 2 hoch 8, also 256 Kombinationen. Jedes weitere Qubit verdoppelt folglich die Anzahl der Kombinationen!

2) Was ist ein Quantenalgorithmus?

Algorithmen kennt man aus der klassischen Informatik. Es sind Berechnungsvorschriften, die auf der untersten Ebene mit Logik-Gattern arbeiten (AND, OR, NOT...). Diese Gatter haben ein oder mehrere Bits als Input und liefern einen bestimmten Output (NOT kehrt z.B. das Eingangs-Bit um). Allerdings müssen sich die meisten Software-Entwickler nicht mehr mit der Ebene dieser Logik-Gatter beschäftigen, sondern es werden höhere Programmiersprachen eingesetzt, welche davon abstrahieren.

Quantenalgorithmen arbeiten ebenfalls mit einer Art von Gattern, nämlich mit Qubit-Gattern. Diese Gatter werden vom Entwickler in einem Quantenschaltkreis angeordnet. Dieser Schaltkreis bestimmt, welches Qubit in welches Gatter laufen soll und wie die nachfolgenden Verschaltungen der Gatter definiert sind. Für diese Operationen gibt es auch bereits Programmiersprachen, diese sind aber im Vergleich zu den klassischen Sprachen noch sehr rudimentär. Man sieht daran, dass Quantencomputing noch ganz am Anfang steht und noch nicht viel kommerziell genutzt wird (Stand: 2026).

Symbolbild (mit KI generiert)

Schauen wir uns nun einen konkreten Anwendungsfall an: 

Der sogenannte Grover-Algorithmus löst folgende Aufgabenstellung: "Suche in einer unstrukturierten Datenbank mithilfe einer Evaluationsmethode." Wir haben also eine (große) Menge von N möglichen Input-Daten. Für jeden Inputwert liefert die Evaluationsmethode zurück, ob ein Treffer in der Datenbank erfolgte oder nicht. In herkömmlichen Computersystemen gibt es keine schnellere Lösung, als jedes Element einzeln hintereinander zu testen, um im dümmsten Fall N-mal zu evaluieren, im durchschnittlichen Fall N/2 mal. Auf einem Quantensystem ist das jedoch u.a. dank des Prinzips der Superposition (siehe voriger Abschnitt 1) viel schneller möglich (bei Grover z.B. in Wurzel N mal).

Bei Quantenalgorithmen werden also viele mögliche Rechenwege gleichzeitig beeinflusst, statt sie nacheinander abzuarbeiten. Das ist ein grundsätzlich anderer Ansatz als beim klassischen Programmieren und deshalb zunächst schwer zu greifen.

3) Weiterführende Informationen und Buchtipps


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