Qubits sind das Fundament jeder Quantentechnologie. Wer Qubits versteht, versteht einen riesigen Teil der Zukunft.
- 1
Quantencomputer nutzen Qubits als ihre fundamentale Informationseinheit.
- 2
Quantensensoren nutzen Qubits, um die Welt zu erfassen.
- 3
MRTs nutzen atomare Qubits in Ihrem Körper, um großartige Bilder zu erzeugen!
Es gibt viele Definitionen davon, was ein Qubit ist, aber die einfachste ist: ein Qubit ist ein winziges Ding, das in eine Richtung zeigt.
Ein Qubit ist ein winziges Ding, das in eine Richtung zeigt.
Was heißt zuerst „in eine Richtung zeigen“?
Wir meinen wörtlich: eine Richtung im 3D-Raum! Schauen wir uns ein Beispiel an: den Spin eines Elektrons.
Nicht viele erinnern sich aus dem Chemieunterricht: Elektronen sind kleine Magnete! Wir haben einen Namen für die Richtung ihres Nordpols: Spin.
Das Magnetfeld eines Elektrons kann nach oben, unten oder in jede Richtung dazwischen zeigen.
Ein Elektron ist daher ein Qubit: ein winziges Ding, das in eine Richtung zeigt.
Auch Photonen können Qubits sein. Sie haben eine Eigenschaft namens Polarisation, die als „in eine Richtung zeigen“ aufgefasst werden kann – über eine Abbildung namens Poincaré-Kugel. Wir vertiefen das hier nicht.
Wie klein muss es sein?
Das ist der schwierige Teil. Ein Qubit muss klein genug sein, um von jedem anderen Objekt oder jeder Kraft, die von seinem Zustand abhängen oder ihn beeinflussen könnte, isoliert zu werden. Erst dann sehen wir Quantenverhalten, insbesondere Verschränkung, entstehen.
Ein Stabmagnet könnte ein Qubit sein, aber er ist zu unordentlich – Luft trifft ihn, Menschen berühren ihn, er ist schlicht zu groß. Jedes Mal, wenn etwas mit ihm wechselwirkt, wird es mit ihm verschränkt. Verschränkung wird hier erklärt. Wird unser Qubit mit zu vielen Dingen verschränkt, die wir nicht kontrollieren, können wir nicht mehr vorhersagen, wie es sich verhält. Die Überverschränkung eines Objekts heißt Dekohärenz. Wir mögen es nicht, wenn Dinge dekohärieren, weil sie dann nicht mehr so nützlich und kontrolliert sind. Stabmagnete dekohärieren fast augenblicklich.
Um ein Qubit wirklich von allem anderen zu isolieren, muss es entweder in einer abgeschirmten Nische eines stabilen Materials sein, etwa NV-Zentren in Diamant, oder stark heruntergekühlt werden – wie die Resonator-Qubits von Google und IBM. Technisch müssen Qubits nicht klein sein: das größte je erzeugte war ein 16-Mikrogramm-Saphirkristall. Sie müssen jedoch lange einer Verschränkung mit unbeabsichtigten Quellen widerstehen.
Wir haben viele Qubits gefunden, die nicht so schnell dekohärieren:
Wie messen wir ein Qubit?
Es ist sehr, sehr schwer, die Richtung des Magnetfelds eines Elektrons zu messen – tatsächlich theoretisch unmöglich. Das Maximum: eine Ja/Nein-Frage stellen – zeigt es nach oben oder unten? (Oder zwei beliebige entgegengesetzte Richtungen, die Sie wählen.) Das nennt man eine Messung.
Das ist eigentlich eine fundamentale Eigenschaft von Qubits: Wenn Sie messen, erhalten Sie nur eines von zwei Ergebnissen, meist „auf“ und „ab“ oder 0 und 1 genannt. Diese Eigenschaft – dass eine Messung stets eines von zwei Ergebnissen liefert – ist der Grund, warum Qubits oft als Zwei-Niveau-Quantensysteme bezeichnet werden.
Im Labor können wir messen, ob der Spin eines Elektrons nach oben oder unten zeigt. Wir tun das mit einem speziellen Laser im Labor, den wir auf das Elektron schießen.
Das Elektron, das wir messen, ist meist an ein Atom gebunden, das wir im Raum mit einem optischen Gitter oder einer Ionenfalle levitieren.
Wir schießen einen speziellen Laser darauf, der nur absorbiert wird, wenn der Spin des Elektrons nach oben zeigt. Absorbiert er, wissen wir: Spin auf!
Wie helfen uns Qubits?
Die größte Überraschung: Qubits stecken bereits in Technologien, die Sie heute nutzen.
MRTs
MRTs nutzen die Protonen-Spin-Qubits in jedem Wassermolekül Ihres Körpers. Spins in einem Magnetfeld rotieren. MRTs setzen Ihren Körper in einen massiven Magneten, sodass die Spins sehr schnell rotieren. Rotierende Spins emittieren Radiowellen, und das misst der MRT-Scanner.
Magnetometer
Magnetometer funktionieren nach derselben Idee, nur umgekehrt. Sie lassen einen Spin rotieren und timen Ihre Messungen so, dass die Antwort immer „auf“ ist, wenn das Timing stimmt. Liefert eine Messung jemals „ab“, ist das Timing verrutscht und Sie justieren nach. Der Justagebetrag verrät, wie stark das umgebende Magnetfeld ist.
Atomuhren
Atomuhren funktionieren ähnlich, mit einem Twist. Das Magnetfeld liefert der Atomkern selbst, der unglaublich stabil ist. Daher ist die Rotation des Elektronenspins enorm konsistent. Lassen Sie einen Timer laufen, messen Sie genau dann, wenn Sie „auf“ erwarten – und bekommen Sie stattdessen „ab“, justieren Sie den Timer. Das ist eine Live-Korrekturschleife – so bleiben die genauesten Uhren der Welt genau.
Quantencomputing
Qubits können auch zum schnelleren Rechnen genutzt werden. Quantencomputing ersetzt klassische Bits, die nur 0 oder 1 sind, durch Qubits. Detaillierte Anleitung folgt bald.
Halten Sie eines
Ein Qubit, das Sie in den Händen halten können.
Qubi ist ein Modell-Qubit. Drehen Sie es, beobachten Sie den Kollaps, bauen Sie die Intuition, die diese Anleitung gerade gelegt hat, durch Berührung auf.