Quanteninformatik

Die Quanteninformatik oder Quanteninformationsverarbeitung ist die Wissenschaft von der Informationsverarbeitung mit Informationsträgern, die quantenmechanische Phänomene nutzen. Diese unterscheiden sich in wesentlichen Eigenschaften von klassischen Informationsträgern und schaffen so neue Perspektiven. So können damit einige Berechnungen wesentlich schneller durchgeführt werden, als es mittels klassischer Computer möglich ist. Die Quanteninformatik wird zu den Quantentechnologien gezählt.

Die klassische Informationsverarbeitung verwendet stets makroskopisch viele Teilchen zur Repräsentation eines Zustands. Zwar unterliegen die einzelnen Teilchen quantenmechanischen Gesetzen, jedoch kann deren quantenmechanische Eigenart bei makroskopisch vielen Teilchen aufgrund des Korrespondenzprinzips vernachlässigt werden.

Quanteninformation

In der Quanteninformatik ersetzt die Quanteninformation die klassische Information. Analog zum Bit der klassischen Information gibt es in der Quanteninformation ebenfalls eine kleinste Einheit, das Qubit. Hierbei handelt es sich um ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System.

In der Quanteninformatik werden die Quanteneigenschaften eines Systems von Qubits ausgenutzt. Neben der Superposition ist dies insbesondere die Verschränkung, die sich als Interferenz verschiedener Basiszustände interpretieren lässt.

Aufgrund des Komplementaritätsprinzips und der damit verbundenen quantenmechanischen Unschärferelation kann der Zustand von Qubits nicht vollständig ausgelesen werden. Vielmehr führt jedes Lesen eines Qubits zu einem Kollaps der Wellenfunktion, so dass letztlich nur ein klassisches Bit ausgelesen wird. Aus diesem Grunde arbeiten Quantenalgorithmen generell probabilistisch, d. h. ein Durchlauf liefert nur mit einer gewissen (möglichst hohen) Wahrscheinlichkeit das gewünschte Ergebnis.

Quantenkommunikation

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Quanteninformatik ist die Quantenkommunikation. Bei dieser wird Quanteninformation über Quantenkanäle zwischen Knoten eines Quantennetzwerkes gesendet. Eine Möglichkeit um Quanteninformation zu übertragen ist die Verwendung von Quantenteleportation, bei der zwei Quanten zu einem gemeinsamen quantenphysikalischen Zustand verschränkt werden. Auch wenn sie getrennt werden, bleiben sie über große Strecken miteinander verbunden. Albert Einstein hatte den Effekt als spukhafte Fernwirkung bezeichnet. Dadurch werden abhörsichere, extrem schnelle Netzwerke ermöglicht. Quantenkommunikation erlaubt insbesondere die sichere Verschlüsselung von gesendeten Nachrichten durch Quantenkryptografie, könnte aber auch für die Vernetzung von Quantencomputern (siehe nächster Abschnitt) genutzt werden.

Quantencomputer

→ Hauptartikel: Quantencomputer

Das ehrgeizigste Ziel der Quanteninformatik ist die Entwicklung eines Quantencomputers, der für praktische Aufgaben eingesetzt werden kann. Ein solcher könnte dank des Quantenparallelismus bestimmte Aufgaben, für die ein klassischer Computer sehr lange braucht, in wesentlich kürzerer Zeit berechnen. Ein Beispiel für die extreme Beschleunigung der Lösung bestimmter Probleme ist der Shor-Algorithmus zur Zerlegung des Produkts zweier Primzahlen in seine Faktoren. Dieser Algorithmus hat eine besondere Relevanz, da die Sicherheit des verbreiteten RSA-Verschlüsselungsverfahrens gerade auf der Schwierigkeit dieser Zerlegung beruht.

Ähnlich wie klassische Computer funktionieren auch Quantencomputer mit diskreten Operationen, die nur auf eine begrenzte Zahl von Qubits wirken. Solche Operationen nennt man Quantengatter.

Ein Problem bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die Dekohärenz, die Quantenzustände in klassische Zufallsverteilungen überführt. Zu deren Kompensation braucht man spezielle Fehlerkorrekturverfahren, die ohne die Messung der Qubits auskommen, denn diese Messung würde ihrerseits den Quantenzustand zerstören. Diese Verfahren werden als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet.

Siehe auch

• Quantentomographie

Literatur

• Jürgen Brendel: Quantenphänomene des Lichts. Harri Deutsch, Frankfurt 1994, ISBN 978-3-8171-1384-2. 
• Dagmar Bruß: Quanteninformation. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2015, ISBN 978-3-596-30422-6. 
• Matthias Homeister: Quantum Computing verstehen. 4. Auflage. Springer/Vieweg, Wiesbaden 2015, ISBN 978-3-658-10454-2. 
• B. Lenze: Mathematik und Quantum Computing. Logos Verlag, Berlin 2018, ISBN 978-3-8325-4716-5. 
• R.J. Lipton, K.W. Regan: Quantum Algorithms via Linear Algebra: A Primer. MIT Press, Cambridge MA 2014, ISBN 978-0-262-02839-4 (englisch). 
• Wolfgang Scherer: Mathematik der Quanteninformatik. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-49079-2. 
• Wolfgang Tittel, Jürgen Brendel, Nicolas Gisin, Grégoire Ribordy, Hugo Zbinden: Quantenkryptographie. In: Physikalische Blätter. Band 55, Nr. 6, 1999, S. 25, doi:10.1002/phbl.19990550608 (wiley.com). 
• R.F. Werner: Quantum Information Theory - an Invitation. In: Quantum Information - An Introduction to Basic Theoretical Concepts and Experiments (= Springer Tracts in Modern Physics). Springer, 2001, doi:10.1007/3-540-44678-8_2, arxiv:quant-ph/0101061 (englisch). 
• C.P. Williams: Explorations in Quantum Computing. 2. Auflage. Springer-Verlag, London 2011, ISBN 978-1-84628-886-9 (englisch). 

Weblinks

• Universität Karlsruhe, Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP): Quantum Computing - Einige Papers zum Quantenrechnen aus physikalischer Sicht
• Universität Karlsruhe, Institut für Algorithmen und Kognitive Systeme(IAKS), Arbeitsgruppe Quantum Computing: Umfangreiche Vorlesungsmaterialien, Abbild der Lehrveranstaltungen (Memento vom 2. Juli 2007 im Internet Archive), abgerufen am 24. Juli 2011
• BMBF: Forschungsthema nanoQUIT
• Bericht vom MPI für Quantenoptik (Memento vom 21. Oktober 2009 im Internet Archive) (PDF-Datei; 2,96 MB)
• heise.de: Quantenkommunikation im All