Was ist ein Quantencomputer?
What is a quantum computer?
A quantum computer is a computer that exploits quantum mechanical phenomena. At small scales, physical matter exhibits properties of both particles and waves, and quantum computing leverages this behavior using specialized hardware. Classical physics cannot explain the operation of these quantum devices, and a scalable quantum computer could perform some calculations exponentially faster than any modern "classical" computer. In particular, a large-scale quantum computer could break widely used encryption schemes and aid physicists in performing physical simulations; however, the current state of the art is still largely experimental and impractical.

The basic unit of information in quantum computing is the qubit, similar to the bit in traditional digital electronics. Unlike a classical bit, a qubit can exist in a superposition of its two "basis" states, which loosely means that it is in both states simultaneously. When measuring a qubit, the result is a probabilistic output of a classical bit. If a quantum computer manipulates the qubit in a particular way, wave interference effects can amplify the desired measurement results. The design of quantum algorithms involves creating procedures that allow a quantum computer to perform calculations efficiently.

Physically engineering high-quality qubits has proven challenging. If a physical qubit is not sufficiently isolated from its environment, it suffers from quantum decoherence, introducing noise into calculations. National governments have invested heavily in experimental research that aims to develop scalable qubits with longer coherence times and lower error rates. Two of the most promising technologies are superconductors (which isolate an electrical current by eliminating electrical resistance) and ion traps (which confine a single atomic particle using electromagnetic fields).

Any computational problem that can be solved by a classical computer can also be solved by a quantum computer. Conversely, any problem that can be solved by a quantum computer can also be solved by a classical computer, at least in principle given enough time. In other words, quantum computers obey the Church–Turing thesis. This means that while quantum computers provide no additional advantages over classical computers in terms of computability, quantum algorithms for certain problems have significantly lower time complexities than corresponding known classical algorithms. Notably, quantum computers are believed to be able to solve certain problems quickly that no classical computer could solve in any feasible amount of time—a feat known as "quantum supremacy." The study of the computational complexity of problems with respect to quantum computers is known as quantum complexity theory.
Ein Quantencomputer ist ein Computer, der sich quantenmechanische Phänomene zunutze macht. In kleinen Maßstäben weist die Materie sowohl Eigenschaften von Teilchen als auch von Wellen auf, und Quantencomputer machen sich dieses Verhalten mithilfe spezieller Hardware zunutze. Die klassische Physik kann die Funktionsweise dieser Quantengeräte nicht erklären, und ein skalierbarer Quantencomputer könnte einige Berechnungen exponentiell schneller durchführen als jeder moderne "klassische" Computer. Ein groß angelegter Quantencomputer könnte insbesondere weit verbreitete Verschlüsselungssysteme knacken und Physikern bei der Durchführung von physikalischen Simulationen helfen; der aktuelle Stand der Technik ist jedoch noch weitgehend experimentell und unpraktisch.

Die Grundeinheit der Information im Quantencomputer ist das Qubit, ähnlich wie das Bit in der traditionellen digitalen Elektronik. Anders als ein klassisches Bit kann ein Qubit in einer Überlagerung seiner beiden "Basis"-Zustände existieren, was frei übersetzt bedeutet, dass es sich in beiden Zuständen gleichzeitig befindet. Wenn ein Qubit gemessen wird, ist das Ergebnis eine Wahrscheinlichkeitsausgabe eines klassischen Bits. Wenn ein Quantencomputer das Qubit auf eine bestimmte Weise manipuliert, können Welleninterferenzeffekte die gewünschten Messergebnisse verstärken. Bei der Entwicklung von Quantenalgorithmen geht es darum, Verfahren zu entwickeln, mit denen ein Quantencomputer Berechnungen effizient durchführen kann.

Qualitativ hochwertige Qubits zu entwickeln, hat sich als schwierig erwiesen. Wenn ein physisches Qubit nicht ausreichend von seiner Umgebung isoliert ist, leidet es unter Quantendekohärenz und bringt Rauschen in die Berechnungen ein. Nationale Regierungen haben viel in die experimentelle Forschung investiert, um skalierbare Qubits mit längeren Kohärenzzeiten und niedrigeren Fehlerraten zu entwickeln. Zwei der vielversprechendsten Technologien sind Supraleiter (die einen elektrischen Strom isolieren, indem sie den elektrischen Widerstand eliminieren) und Ionenfallen (die ein einzelnes atomares Teilchen mithilfe elektromagnetischer Felder einschließen).

Jedes Rechenproblem, das von einem klassischen Computer gelöst werden kann, kann auch von einem Quantencomputer gelöst werden. Umgekehrt kann jedes Problem, das von einem Quantencomputer gelöst werden kann, auch von einem klassischen Computer gelöst werden, zumindest im Prinzip, wenn man genügend Zeit hat. Mit anderen Worten: Quantencomputer gehorchen der Church-Turing-These. Das bedeutet, dass Quantencomputer zwar keine zusätzlichen Vorteile gegenüber klassischen Computern in Bezug auf die Berechenbarkeit bieten, Quantenalgorithmen für bestimmte Probleme aber eine deutlich geringere Zeitkomplexität aufweisen als die entsprechenden bekannten klassischen Algorithmen. Insbesondere wird angenommen, dass Quantencomputer in der Lage sind, bestimmte Probleme schnell zu lösen, die kein klassischer Computer in einer angemessenen Zeitspanne lösen könnte - ein Kunststück, das als "Quantenüberlegenheit" bekannt ist. Die Untersuchung der Rechenkomplexität von Problemen in Bezug auf Quantencomputer ist als Quantenkomplexitätstheorie bekannt.
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