Computer sind heute ein selbstverständlicher Teil unseres Alltags. Egal ob Handy, Laptop oder Superrechner – alle funktionieren nach den Gesetzen der klassischen Physik. Doch in der Welt der Quanten gelten ganz andere Regeln. Und genau diese nutzt eine neue Generation von Rechnern: die Quantencomputer.
Ein normaler Computer – also beispielsweise dein Laptop – arbeitet nach den Gesetzen der klassischen Physik. Er verarbeitet Informationen in Bits. Bits sind die Bausteine aller digitalen Systeme und ermöglichen die Darstellung komplexer Informationen durch die Kombination von Nullen und Einsen.
Ein Bit kann nur einen Zustand annehmen: 0 oder 1. Diese Zustände sind wie Schalter: an oder aus. Alles, was ein Computer tut – Texte anzeigen, Musik abspielen, Fotos speichern – basiert auf unzähligen Kombinationen dieser Nullen und Einsen. Dieses System nennt man Binärsystem.
Ein Beispiel: Der Buchstabe A sieht binärcodiert so aus: 01000001
Wenn ein klassischer Computer ein Problem löst, geht er Schritt für Schritt vor. Er prüft jede Möglichkeit nacheinander, bis er die richtige Lösung findet. Das ist wie jemand, der ein Zahlenschloss öffnet, indem er jede Kombination einzeln ausprobiert – erst 0000, dann 0001, dann 0002 und so weiter. Diese Methode funktioniert sehr zuverlässig, kostet aber viel Zeit– besonders bei Aufgaben, die viele Milliarden möglicher Lösungen haben. Je größer und komplexer das Problem wird, desto länger braucht ein klassischer Computer, um sich durch alle Möglichkeiten zu arbeiten.
Bei einem Quantencomputer nennt man die kleinsten Einheiten Qubits (Quantenbits). Ein Qubit kann sich, im Gegensatz zu normalen Bits, gleichzeitig im Zustand 0 und 1 befinden. Diese Überlagerung heißt in der Quantenmechanik Superposition. Das bedeutet: Ein Quantencomputer kann viele Rechenwege parallel durchlaufen, anstatt sie nacheinander abzuarbeiten. Dadurch kann er sehr komplexe Berechnungen in viel kürzerer Zeit durchführen.
Ein weiteres besonderes Phänomen ist die Verschränkung. Wenn zwei Qubits verschränkt sind, hängen ihre Zustände miteinander zusammen – ändert sich eines, ändert sich das andere sofort, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Das erlaubt dem Quantencomputer, komplexe Rechenmuster zu erzeugen, bei denen alle Qubits gemeinsam agieren. Dadurch kann er Informationen in riesigen Mengen zeitgleich verarbeiten.
Obwohl Systeme, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren einige Vorteile haben und ihre intensiv beforschte Technologie in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen wird, haben sich Quantencomputer in den meisten Anwendungsbereichen noch nicht wirklich etabliert. Dies liegt unter anderem daran, das Qubits extrem empfindlich sind – schon kleinste Störungen, wie Temperaturänderungen oder elektromagnetische Felder, können sie „aus dem Gleichgewicht“ bringen.
Deshalb müssen Quantencomputer oft bei nahezu absolutem Nullpunkt betrieben werden, also bei Temperaturen knapp über –273 °C. Die speziellen Kühlsysteme sind technisch kompliziert und sehr teuer.
Forschende auf der ganzen Welt arbeiten daran, Quantencomputer stabiler und alltagstauglicher zu machen. Große Unternehmen wie IBM, Google und Intel sind hier ganz vorne mit dabei.
