Glossar

Quantentechnologie
Quantentechnologie umfasst eine breite Palette von Technologien, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen, um innovative Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu entwickeln. Quantenphänomene wie Superposition und Entanglement (Quantenverschränkung) werden von diesen Technologien genutzt, um eine beispiellose Rechenleistung zu erreichen. Beispiele für Quantentechnologien sind Quanteninformatik, Quantenkommunikation, Quantensensorik oder Quantenkryptographie. Quantentechnologie hat das Potenzial, ganze Branchen – von der Gesundheitsversorgung und Cybersicherheit bis hin zu Materialwissenschaften und Telekommunikation – zu revolutionieren und verspricht tiefgreifende Fortschritte in Fähigkeiten und Leistung.

Quantenmechanik
Die Quantenmechanik bezieht sich auf materielle Objekte und modelliert diese als einzelne Teilchen oder als Systeme, die aus einer bestimmten Anzahl von einzelnen Teilchen bestehen. Mit diesen Modellen können Elementarteilchen, Atome, Moleküle oder die makroskopische Materie detailliert beschrieben werden.

Quantencomputing (Quanteninformatik)
Die Quanteninformatik ist ein sich rasant entwickelndes Forschungsgebiet, das die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Rechenaufgaben auf grundlegend neue Weise durchzuführen. Im Gegensatz zu klassischen Computern, die Bits als grundlegende Informationseinheiten verwenden (0 oder 1), verwenden Quantencomputer Quantenbits oder Qubits, die in Überlagerungszuständen existieren können und gleichzeitig sowohl 0 als auch 1 repräsentieren. Dies ermöglicht es Quantencomputern, parallele Berechnungen in großem Maßstab durchzuführen und bestimmte Probleme viel schneller als klassische Computer zu lösen. Die Quanteninformatik hat das Potenzial, Bereiche wie Kryptographie, Optimierung und Materialwissenschaft zu revolutionieren. Die Entwicklung und der Betrieb funktionstüchtiger Quantencomputer bleiben jedoch eine Herausforderung. Aktuell befindet sich das Feld noch in den Anfängen der Entwicklung.

Quantencomputer
Ein Quantencomputer ist ein Prozessor, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt. Im Unterschied zum klassischen Computer arbeitet er nicht auf der Basis binärer Zustände elektronischer Schaltkreise, sondern quantenmechanischer Zustände von Quantenbits oder Qubits, die in verschiedenen Zuständen zeitgleich existieren können. Quantencomputer operieren bei extrem niedrigen Temperaturen (ca. -270°C), um Störungen zu verhindern und die empfindlichen Quantenzustände
aufrechtzuerhalten, die für die Berechnungen erforderlich sind. Derzeit gibt es nur wenige Quantencomputer, die betriebsbereit sind, von denen die meisten von Forschungseinrichtungen und Technologieunternehmen gebaut wurden (z.B. IBM oder Google). Auf diese Quantencomputer wird häufig über cloudbasierte Dienste
zugegriffen. Das Feld entwickelt sich jedoch rasant weiter, mit großen Investitionen sowohl aus dem öffentlichen als auch aus dem privaten Sektor, was die Anzahl der Quantencomputer in den kommenden Jahren wahrscheinlich erhöhen wird.

Quantenbits (Qubits)
Im Bereich des Quantencomputings dienen Quantenbits oder Qubits als grundlegende Informationseinheiten. Im Gegensatz zu den binären Codes eines herkömmlichen Computers, der mit 0 oder 1 operiert, besitzen Qubits die bemerkenswerte Fähigkeit, in verschiedenen Zuständen zeitgleich zu existieren, was bedeutet, dass sie sowohl 0 als auch 1 repräsentieren können. Zusätzlich besteht zwischen ihnen eine Quantenverschränkung, deren Verbindung rechnerische Vorteile bietet. Die Aufrechterhaltung der empfindlichen Quantenzustände von Qubits stellt eine grosse Herausforderungen dar, einschließlich der Anfälligkeit für Störungen durch die Umgebung, die Berechnungen beeinflussen kann. Trotz dieser Hürden ist die Forschung bestrebt, diese Hindernisse zu überwinden und das Potenzial der Quanteninformatik nutzbar zu machen.

Quantenmessung
Quantenmessung ist der Prozess der Beobachtung und Gewinnung von Informationen über Quantensysteme wie Teilchen oder Qubits, die von den Prinzipien der Quantenmechanik geregelt werden. In der Quantenmechanik sind Messungen grundsätzlich wahrscheinlichkeitsbasiert, d.h., sie liefern nur wahrscheinlichkeitsbasierte Ergebnisse und keine eindeutigen Resultate. Darüber hinaus kann der Akt der Messung den Quantenzustand des gemessenen Systems stören und seine Eigenschaften auf unvorhersehbare Weise verändern. Die Quantenmessung spielt eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die Charakterisierung von Quantensystemen, da sie es Wissenschaftler:innen ermöglicht, wertvolle Informationen über deren Zustand und Verhalten zu gewinnen. Die Feinheiten der Quantenmessung stellen jedoch eine große Herausforderung dar, insbesondere bei der Aufrechterhaltung von Quantenphänomenen wie Überlagerung (Superposition) und Verschränkung (Entanglement).

Entanglement (Quantenverschränkung)
In der Quantenphysik ist die Quantenverschränkung ein besonderes Phänomen, bei dem sich die Eigenschaften von zwei oder mehr Teilchen so miteinander verbinden, dass der Zustand eines Teilchens unmittelbar mit dem Zustand eines anderen Teilchens in Wechselwirkung steht, unabhängig von der räumlichen Trennung zwischen ihnen. Das bedeutet, dass Veränderungen an einem Teilchen sich im anderen Teilchen widerspiegeln, wodurch eine unmittelbare und mysteriöse Verbindung zwischen ihnen entsteht. Wenn beispielsweise zwei Teilchen verschränkt sind und eines von ihnen gemessen wird, lässt sich durch die Bestimmung seines Zustands sofort der Zustand des anderen Teilchens feststellen, unabhängig von der räumlichen Entfernung zwischen ihnen. Die Verschränkung ist ein grundlegender Aspekt der Quantenmechanik und nach wie vor Gegenstand intensiver theoretischer und experimenteller Untersuchungen.

Superposition (Überlagerung)
In der Quantenmechanik ist die Überlagerung ein grundlegendes Prinzip, das den Zustand eines Teilchens, wie z. B. eines Elektrons, als in mehreren Zuständen gleichzeitig bestehend beschreibt. Das bedeutet, dass das Teilchen bis zu einer Messung weder eine eindeutige Position noch bestimmte Eigenschaften hat. Es ist vergleichbar mit einer sich drehenden Münze, die scheinbar nicht auf Kopf oder Zahl landet, bis eine Messung durchgeführt wird. Die Überlagerung ist nicht nur ein theoretisches Konzept, sie ist entscheidend für das Verständnis von Quantensystemen und ein grundlegender Baustein für die Quanteninformatik. In der Quanteninformatik ermöglicht die Fähigkeit von Quantenbits (Qubits), in Überlagerungszuständen zu existieren, parallele Berechnungen, so dass Quantencomputer bestimmte Aufgaben exponentiell schneller ausführen können als herkömmliche Computer, die binäre Prozessoren verwenden.