Anders als klassische Computer, die Informationen mithilfe von Bits verarbeiten, welche durch die Ein-/Aus-Zustände von Transistoren repräsentiert werden, verwenden Quantencomputer Quantenbits (Qubits) zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen. Qubits unterliegen den Gesetzen der Quantenmechanik und nicht der klassischen Physik, wodurch Quantenprozessoren grundlegend anders arbeiten können. In einem Quantencomputer wird Information in den Quantenzuständen der Qubits kodiert, die durch das Prinzip der Superposition in Kombinationen von Zuständen existieren können. Qubits können zudem durch Verschränkung miteinander korreliert werden.

Diese Quanteneigenschaften ermöglichen es Quantencomputern, bestimmte Probleme anzugehen, die für klassische Maschinen praktisch oder gar unmöglich effizient zu lösen sind. Ein Qubit ist im Wesentlichen ein Quanten-Zwei-Niveau-System mit einzigartigen und leistungsstarken Eigenschaften, die die Grundlage der Quanteninformationsverarbeitung bilden. Qubits lassen sich physikalisch mithilfe verschiedener Quantenplattformen realisieren, darunter supraleitende Schaltkreise, gefangene Ionen, neutrale Atome, integrierte Photonik und auf Silizium basierende Spinsysteme. Jede dieser Plattformen bietet unterschiedliche Vorteile für den Aufbau skalierbarer Quantenprozessoren.

In klassischen Computern werden Informationen binär gespeichert und verarbeitet. Das bedeutet, dass einzelne Bits nur zwei Werte annehmen können: „0“ oder „1“. Im Gegensatz zum klassischen Bit, bei dem Informationen durch die Zustände „Ein“ oder „Aus“ eines Transistors repräsentiert werden, ist ein Qubit nicht auf die Zustände „0“ oder „1“ beschränkt. Es kann sich tatsächlich gleichzeitig in beiden Zuständen befinden. Dieses Phänomen ist ein fundamentales Konzept der Quantenphysik und wird als Superposition bezeichnet. Mathematisch lässt sich der Zustand eines Qubits (unabhängig von der konkreten physikalischen Implementierung) als Punkt auf einer Einheitskugel, der sogenannten Bloch-Kugel, darstellen. Der Grundzustand 0 befindet sich dabei am „Nordpol“, der angeregte Zustand 1 am „Südpol“. Dieser Superpositionszustand kann sich auch über ein ganzes Register von Qubits erstrecken. Dieses Phänomen wird als Verschränkung bezeichnet und ist der entscheidende Faktor für die Rechenleistung der Quantenprozessoreinheit (QPU) gegenüber klassischen Systemen. Die Anzahl der Quantenzustände, die eine QPU darstellen kann, skaliert mit 2^N.

Die verbesserte Leistung von Quantencomputern gegenüber klassischen Computern führt zu Anwendungen in zahlreichen Branchen, darunter: Kryptographie und Cybersicherheit, Wirkstoffforschung und Materialwissenschaft und -design, Optimierung der Lieferkette, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, Klimamodellierung und Energie, Computerchemie und -physik sowie Finanzdienstleistungen.

In vielen praktischen Anwendungsfällen können Quantenprozessoren (QPUs) als spezialisierte Simulationsbeschleuniger betrachtet werden. Anstatt klassische Computer zu ersetzen, werden sie voraussichtlich in bestehende Arbeitsabläufe integriert, um spezifische, klassisch nicht durchführbare Schritte auszuführen, wie beispielsweise die Simulation komplexer Quantensysteme oder die Erkundung riesiger Lösungsräume. Dieser hybride Ansatz ermöglicht das Zusammenspiel von Quanten- und klassischen Systemen und maximiert so die jeweiligen Stärken.

Konventionelle Computerfehler entstehen typischerweise durch unerwartete Bitumkehrungen. Um diese Bitumkehrungen zu korrigieren und das System in den erwarteten Zustand zurückzuführen, wurden Fehlerkorrekturverfahren entwickelt. Heutzutage ist die klassische Fehlerkorrektur in der Regel nicht mehr notwendig und kommt nur dann zum Einsatz, wenn ein Fehler katastrophale Folgen hätte oder wenn sich der Computer in einer Umgebung befindet, in der Fehler häufiger auftreten, beispielsweise bei Weltraummissionen.

Der Verlust der Quantenkohärenz, auch Dekohärenz genannt, entsteht durch das Zusammenfallen von Quantenüberlagerungen in klassische Zustände bei der Messung. Dies geschieht unabhängig davon, ob es sich um eine gezielte Messung durch einen Beobachter oder um Rauschen aus der Umgebung handelt. Das Quantensystem kann den Unterschied nicht erkennen. Aufgrund der Dekohärenz müssen Quanteningenieure, die einen Quantencomputer entwickeln, folgende Aspekte berücksichtigen:

1. Das Qubit-Register muss sowohl elektromagnetisch als auch thermisch von seiner Umgebung isoliert sein, um einen unerwünschten Energieaustausch zu vermeiden.
2. Die Qubit-Operationen (d. h. Einzel- und Zwei-Qubit-Gatter) müssen im Vergleich zur Dekohärenzzeit schnell sein.
3. Qubit-Messungen (Auslesen) müssen schnell erfolgen und dürfen den Quantenzustand nicht verändern (nicht-zerstörend).

Die Messung der Kohärenzzeit eines Qubits ist daher eine der Grundlagen jedes Quantenlabors. Sie liefert wichtige Informationen über die Qualität des Qubits selbst und seiner Abschirmung, über seine Funktionsweise mithilfe von Quantengattern sowie über die Eigenschaften des Qubit-Auslesens.

Die einzigartigen Eigenschaften der Superposition und Verschränkung ermöglichen bisher ungeahnte Leistungen in Quantenanwendungen wie Computertechnik, Kommunikation und Sensorik. Superposition entsteht aus der probabilistischen Natur der Quantenmechanik und bleibt bestehen, solange das System nicht beobachtet oder gemessen wird. Sobald eine Messung erfolgt, kollabiert der Quantenzustand zu einem einzigen, eindeutigen Ergebnis. Dieses Verhalten lässt sich mithilfe der Bloch-Kugel veranschaulichen, wobei der Zustand eines Qubits einem Punkt auf der Oberfläche einer Einheitskugel entspricht. Bei supraleitenden Qubits werden Messungen typischerweise entlang der z-Achse durchgeführt, die Nord- und Südpol verbindet. Ein Zustand an einem der Pole liefert ein eindeutiges Ergebnis (0 oder 1), während ein Zustand am Äquator zu gleicher Wahrscheinlichkeit für die Messung beider Werte führt.

Verschränkung verstärkt diese Fähigkeiten zusätzlich, indem sie starke Korrelationen zwischen Qubits herstellt, sodass der Zustand jedes Qubits nicht unabhängig von den anderen beschrieben werden kann. Diese Vernetzung ermöglicht es, Quantenoperationen gleichzeitig und hochgradig koordiniert auf viele Qubits anzuwenden. Dabei entstehen Interferenzerscheinungen, die korrekte Ergebnisse verstärken und inkorrekte unterdrücken. Die Rechenleistung einer Quantenprozessoreinheit (QPU) resultiert aus diesem kollektiven Verhalten: Ein Register von N verschränkten Qubits wird durch 2ᴺ Koeffizienten beschrieben, wodurch das System einen exponentiell großen Raum von Möglichkeiten gleichzeitig darstellen und manipulieren kann. Folglich können Quantenalgorithmen viele potenzielle Lösungen parallel untersuchen und bieten so für bestimmte Problemklassen erhebliche Effizienzgewinne gegenüber klassischen Ansätzen.

Mehrere große Technologieunternehmen haben inzwischen den Quantenvorteil demonstriert: die Fähigkeit von Quantencomputern, Probleme zu lösen, die für klassische Supercomputer praktisch unlösbar wären. Quantenalgorithmen reduzieren die Rechenzeit für komplexe Monte-Carlo-Simulationen drastisch und ermöglichen hochentwickelte Risikobewertungen, die zuvor unberücksichtigte Variablen einbeziehen können.

Während universelles Quantencomputing noch Zukunftsmusik ist, lösen spezialisierte Quantenprozessoren bereits Optimierungsprobleme für kommerziell relevante Anwendungen mit direkten Auswirkungen auf Geschäftsprozesse. Es wird prognostiziert, dass es mindestens fünf Jahre dauern wird, bis sich Quantentechnologie durch proprietäre Ansätze als nachhaltiges Wettbewerbsmerkmal etabliert hat.

Quantenkommunikation ist eine Methode zur Informationsübertragung, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basiert und eine sichere Informationsübertragung ermöglicht. Sie kann durch verschiedene Verfahren realisiert werden, darunter Quantenschlüsselaustausch (QKD), Quantenteleportation und Quantenverschränkung. Jeder Versuch, die Übertragung abzufangen oder zu belauschen, führt zum Zusammenbruch des Quantenzustands und alarmiert somit Sender und Empfänger über die Sicherheitslücke.