Qubit (Quantum Bit)

Hardware-Typen:

• Supraleitende Qubits: (IBM, Google). Kleine Ringe aus Metall, auf fast 0 Kelvin gekühlt.
• Ionenfallen: (IonQ). Einzelne Atome, die mit Lasern festgehalten werden.
• Photonische Qubits: (PsiQuantum). Nutzen Lichtteilchen.

1. Bloch-Sphäre

Die mathematische Darstellung. Ein Bit ist Nordpol (0) oder Südpol (1). Ein Qubit ist ein Punkt irgendwo auf der Kugeloberfläche. Breitengrad = Mischung aus 0 und 1. Längengrad = Phase (wichtig für Interferenz).

2. Die Macht von N Qubits

Da Qubits sich verschränken können, wächst die Power exponentiell ($2^n$). 300 Qubits können mehr Zahlen gleichzeitig darstellen, als es Atome im Universum gibt. Aktueller Rekord: > 1000 Qubits (aber fehleranfällig).

1. Transmon Qubits (Superconducting Chips)

Aktuelle Marktführer (IBM Eagle, Google Sycamore) setzen nicht auf echte Atome, sondern auf Transmon Qubits. Das sind winzige elektrische Schaltkreise aus den Supraleitern Niob oder Aluminium, die auf einen normalen Silizium-Wafer gedruckt sind. Gekühlt auf $\approx 15$ Millikelvin (kälter als der Weltraum im interstellaren Raum), wird der Schaltkreis quantenmechanisch. Er simuliert ein künstliches "Makro-Atom". Das Herzstück ist die Josephson-Kontakt-Barriere (ein Isolator zwischen zwei Supraleitern). Sie bricht die Symmetrie der Energieniveaus des Schwingkreises (Anharmonischer Oszillator), was erlaubt, ausschließlich zwischen dem Ground State $|0\rangle$ und dem Excited State $|1\rangle$ hin und her zu feuern (mittels präzisen Mikrowellen-Impulsen), ohne aus Versehen höhere Schwingungszustände ($|2\rangle, |3\rangle$) anzuregen.

2. Trapped Ion Qubits

Der stärkste Konkurrent (z.B. IonQ, Quantinuum) nutzt echte Naturatome (z.B. Ytterbium-Ionen). Im Vakuum-Zylinder werden diese Atome durch oszillierende elektromagnetische Felder (Paul-Falle) millimetergenau geangelt. Zustand $|0\rangle$ und $|1\rangle$ entsprechen den echten spin-elektronischen Energieniveaus des Ions. Gesteuert wird das Qubit mit gezielten Laser-Pulseinschlägen. Vorteil: Die Ionen sind perfekt identisch (im Gegensatz zu ungenau lithografierten Transmons) und ihre Kohärenzzeit ist riesig (Sekunden bis Minuten!). Nachteil: Sie in linearen "Traps" anzuordnen skaliert miserabel und das Ausführen eines Laser-Gates ist um den Faktor $1000\times$ langsamer als die Mikrowellen-Pulsierung der Transmons.

3. DiVincenzo Criteria (Requirements)

Um echte Qubits für skalierbare Computer herzustellen, definierte der Physiker David DiVincenzo die 5 heiligen Produktionskriterien:

1. Skalierbares System gut charakterisierter Qubits. (Wenn 5 Qubits gehen, müssen auch 5.000 gehen).
2. Die Möglichkeit, die Qubits sicher in einen simplen Startwert (z.B. $|00000\rangle$) zu initialisieren.
3. Kohärenzzeit, die massiv länger ist als die Gatter-Ausführungszeit (sonst stirbt es beim Rechnen).
4. Die Möglichkeit, ein "Universal Set" an Quantum Gates (z.B. CNOT + Hadamard + T-Gate) abzusetzen.
5. Qubit-spezifische Messbarkeit (Read-Out). Aktuell scheitert jedes existierende Labor-Design ausnahmslos heftig an mindestens ein oder zwei dieser Kriterien (besonders Kriterium 1 und 3 sind bittere Feinde).