Glossar

Quantencomputing-Glossar

Klartext-Definitionen für 22 Quantencomputing-Begriffe. Von Qubit bis Quantum Supremacy, kein Mathematikabschluss erforderlich.

Written by

Sohum Thakkar

CEO, Qolour

Qubit(Quantenbit): Die fundamentale Einheit der Quanteninformation. Anders als ein klassisches Bit (das 0 oder 1 ist) kann ein Qubit gleichzeitig in einer Superposition von 0 und 1 sein. Physisch lässt sich ein Qubit aus einem supraleitenden Schaltkreis, einem gefangenen Ion, einem Photon oder jedem anderen Zwei-Niveau-Quantensystem realisieren.
Superposition: Die Fähigkeit eines Quantensystems, in einer Kombination mehrerer Zustände gleichzeitig zu existieren. Ein Qubit in Superposition ist weder 0 noch 1 – es hat eine Wahrscheinlichkeitsamplitude für jeden Wert. Bei der Messung kollabiert die Superposition zu einem einzigen klassischen Ergebnis, mit Wahrscheinlichkeit nach den Amplituden.
Verschränkung: Eine Quantenkorrelation zwischen zwei oder mehr Teilchen, sodass ihre Zustände nicht unabhängig beschrieben werden können. Die Messung eines verschränkten Teilchens bestimmt sofort das Ergebnis der Messung des anderen, selbst über große Entfernungen. Verschränkung ist die Ressource, die Quantenteleportation, Quantenschlüsselverteilung und viele Quantenalgorithmen antreibt.
Bloch-Kugel: Eine geometrische Darstellung des Zustands eines einzelnen Qubits als Punkt auf der Oberfläche einer 3D-Kugel. Der Nordpol stellt |0⟩ dar, der Südpol |1⟩, und jeder andere Punkt eine Superposition. Die Bloch-Kugel ist das gängigste Visualisierungswerkzeug in der Quantencomputing-Bildung.
Quantengatter: Eine Operation, die den Zustand eines oder mehrerer Qubits transformiert. Quantengatter sind umkehrbar (anders als die meisten klassischen Logikgatter) und werden durch unitäre Matrizen dargestellt. Gängige Gatter sind Hadamard (H), Pauli-X/Y/Z, CNOT und Rotationsgatter Rx, Ry, Rz.
Quantenschaltkreis: Eine Folge von Quantengattern, die auf Qubits angewandt wird und mit einer Messung endet. Quantenschaltkreise sind die unterste Abstraktionsebene zum Programmieren eines Quantencomputers – sie sind das Quanten-Äquivalent eines Assembler-Programms.
Messung: Der Akt, den klassischen Zustand eines Qubits auszulesen. Die Messung bewirkt, dass die Superposition eines Qubits zu 0 oder 1 kollabiert, mit Wahrscheinlichkeiten nach den quadrierten Amplituden des Quantenzustands. Sobald ein Qubit gemessen ist, ist die ursprüngliche Superposition zerstört.
Born-Regel: Die Regel, die die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Messergebnis aus einem Quantenzustand liefert. Ist ein Qubit im Zustand α|0⟩ + β|1⟩, ist die Wahrscheinlichkeit, 0 zu messen, |α|², und die Wahrscheinlichkeit für 1 ist |β|². Benannt nach Max Born, der dafür 1954 den Nobelpreis erhielt.
Dekohärenz: Der Prozess, durch den ein Quantensystem seine Quanteneigenschaften (Superposition und Verschränkung) durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung verliert. Dekohärenz ist das Haupt-Hindernis beim Bau großskaliger Quantencomputer – Qubits müssen von Wärme, Vibration und Streufeldern isoliert werden, um ihren Quantenzustand zu erhalten.
Quanten-Fehlerkorrektur(QEC): Eine Reihe von Techniken zum Schutz von Quanteninformation vor Dekohärenz und Gatterfehlern, indem ein einzelnes logisches Qubit in viele physische Qubits codiert wird. Gängige Codes sind der Shor-Code, der Steane-Code und der Surface-Code.
Hadamard-Gatter(H-Gatter): Ein Einzel-Qubit-Gatter, das eine gleichgewichtige Superposition erzeugt. Angewandt auf |0⟩ ergibt es (|0⟩ + |1⟩)/√2. Das Hadamard-Gatter ist das Arbeitspferd der Quantenalgorithmen und erscheint am Anfang fast jedes Quantenschaltkreises.
CNOT-Gatter(Controlled-NOT): Ein Zwei-Qubit-Gatter, das das zweite (Ziel-)Qubit genau dann flippt, wenn das erste (Kontroll-)Qubit im Zustand |1⟩ ist. CNOT ist das gängigste verschränkende Gatter und ist zusammen mit Einzel-Qubit-Rotationen universell für Quantencomputing.
Bell-Zustand: Einer von vier maximal verschränkten Zwei-Qubit-Zuständen. Die vier Bell-Zustände bilden eine Basis für den Zwei-Qubit-Hilbert-Raum und sind die einfachsten Beispiele für Verschränkung. Erzeugt durch ein Hadamard-Gatter gefolgt von einem CNOT.
Quantum Supremacy(Quantenvorteil): Der Punkt, an dem ein Quantencomputer ein Problem löst, das kein klassischer Computer in vernünftiger Zeit lösen kann. Google reklamierte 2019 mit dem Sycamore-Prozessor bei einer zufälligen Schaltkreis-Sampling-Aufgabe Quantum Supremacy.
Shor-Algorithmus: Ein 1994 von Peter Shor entwickelter Quantenalgorithmus, der große Ganzzahlen exponentiell schneller faktorisiert als der beste bekannte klassische Algorithmus. Shors Algorithmus bedroht RSA-Kryptografie und ist eine der Hauptmotivationen für Post-Quanten-Kryptografie.
Grover-Algorithmus: Ein 1996 von Lov Grover entwickelter Quantenalgorithmus, der eine unsortierte Datenbank mit N Einträgen in O(√N) Operationen durchsucht, quadratisch schneller als der beste klassische Algorithmus. Wird als Subroutine in vielen anderen Quantenalgorithmen verwendet.
BB84: Das erste Protokoll zur Quantenschlüsselverteilung, erfunden 1984 von Charles Bennett und Gilles Brassard. BB84 lässt zwei Parteien einen geheimen Verschlüsselungsschlüssel teilen, mit Sicherheitsgarantie aus den Gesetzen der Physik – jeder Lauscher wird notwendig entdeckt.
CHSH-Ungleichung: Eine mathematische Ungleichung (Clauser–Horne–Shimony–Holt), die jede klassische Theorie erfüllen muss. Die Quantenmechanik verletzt die CHSH-Ungleichung, und experimentelle Verletzungen beweisen, dass das Universum nicht durch lokale verborgene Variablen beschrieben werden kann. Der Nobelpreis 2022 wurde für die experimentelle Verifikation vergeben.
NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum): Ein von John Preskill geprägter Begriff für die aktuelle Ära des Quantencomputings: Hunderte bis Tausende von Qubits, aber mit erheblichem Rauschen und ohne vollständige Fehlerkorrektur. NISQ-Geräte umfassen IBMs Eagle- und Heron-Prozessoren sowie IonQs Ionenfallen-Maschinen.
Quantenteleportation: Ein Protokoll zur Übertragung eines unbekannten Quantenzustands von einem Ort zum anderen mithilfe eines geteilten verschränkten Paares und zweier klassischer Kommunikationsbits. Trotz des Namens wird keine Materie oder Energie teleportiert – nur Quanteninformation.
Wellenfunktion: Eine mathematische Beschreibung des Quantenzustands eines Systems. Die Wellenfunktion enthält alle Informationen, die nötig sind, um über die Born-Regel die Wahrscheinlichkeiten jedes möglichen Messergebnisses zu berechnen.
Pauli-Operatoren(Pauli-Matrizen): Ein Satz von drei Einzel-Qubit-Gattern (X, Y, Z), benannt nach Wolfgang Pauli. X ist das Quanten-Analogon zu NOT (es flippt |0⟩ ↔ |1⟩), Y kombiniert einen Flip und eine Phase, und Z flippt die Phase von |1⟩. Zusammen mit der Identität bilden sie eine Basis für alle Einzel-Qubit-Operationen.

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Qubi ist ein praktisches Quantencomputing-Gerät. Halten Sie Superposition in der Hand. Verschränken Sie zwei Geräte. Führen Sie echte Quantenschaltkreise aus.

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