2.1 Quantenbits

Bits sind die Einheit für Information in modernen Computern. Um ein Bit zu bauen, braucht man ein physisches Objekt, dass sich in einem von zwei zuverlässig unterscheidbaren Zuständen befindet, wie zum Beispiel eine Münze mit zwei Seiten oder ein Kondensator, der elektrische Ladung bei zwei verschiedenen Spannungsniveaus speichert. ⁷⁷ 7 So werden Bits auch auf deinem Computer, Handy usw. gespeichert. Das Verhalten dieser Objekte (und auch der entsprechenden Bits) kann durch physikalische Theorien wie Mechanik (für Münzen) oder Elektromagnetismus (für Kondensatoren) beschrieben werden.

Für sehr kleine⁸⁸ 8 Mit “sehr klein” meinen wir hier wirklich sehr sehr klein! Die Anzahl der Elektronen, die man nebeneinander legen müsste um eine Linie der Länge 1 cm zu bilden ist vergleichbar mit der Anzahl an Papierblättern, die man stapeln müsste um den Mond zu erreichen! Objekte gelten diese Gesetze nicht mehr und wir müssen eine grundlegendere Theorie namens Quantenmechanik nutzen. Ein Elektron hat zum Beispiel eine Eigenschaft, die ‘Spin’ (von engl. für “Drehung” oder “Drall”) genannt wird, welche (wie eine Münze) zwei Werte – hoch oder runter – annehmen, und damit zum speichern von Bits genutzt werden kann. Aber anders als eine Münze, kann der Spin eines Elektrons auch in einer sogenannten “Superposition” beider Zustände sein! In gewisser Hinsicht ähnelt das einem probabilistischen Bit, das in einem Zwischenzustand zwischen $0$ und $1$ sein kann.

Es gibt aber einen feinen Unterschied zwischen Wahrscheinlichkeiten und “Superpositionen” (siehe Abschnitt 2.6.1 über Interferenz). Wie wir sehen werden, führen die Gesetze der Quantenmechanik zu einem viel grundlegenderen Begriff von Information als einem Bit – einem Quantenbit oder Qubit.

Wir werden Qubits mit einem simplen mathematischen Modell definieren, ohne uns Gedanken über Interpretation deren seltsamen Verhaltens zu machen und stattdessen die Frage stellen: “Wofür können wir das nutzen?”. Genauso wenig werden wir uns darüber Gedanken machen, wie man Qubits physisch bauen kann, bzw. aus welchen physischen Objekten sie bestehen. Falls dich das aber interessiert, in Abschnitt 2.6.2 reden wir kurz darüber, wieso polarisiertes Licht genutzt werden kann, um Qubits zu bauen.