Quantencomputer: Die Fast-alles-Rechner

Klassische Rechner sind Beschränkungen unterworfen, die in ihrer Natur liegen. Betrachten wir eine simple Aufgabe: die Primfaktorenzerlegung einer natürlichen Zahl. Schulstoff aus der fünften oder sechsten Klasse also. Obwohl die schnellsten Supercomputer heute Billiarden Rechenschritte pro Sekunde ausführen können, bräuchten sie für die Primfaktorenzerlegung einer 300-stelligen Zahl noch immer etwa 150 Jahre. Das freut all die, die Daten zu sichern haben, denn viele moderne Verschlüsselungsverfahren schöpfen ihre Sicherheit aus der Tatsache, dass die Primfaktorenzerlegung sehr, sehr aufwendig ist.

Deshalb musste man die Verschlüsselungsalgorithmen auch schon des Öfteren anpassen - wer hätte vor 50 Jahren vorherzusagen gewagt, wie schnell heutige Chips rechnen? Quantencomputer allerdings machen dem kompletten Kryptographiegewerbe einen Strich durch die Rechnung, denn sie versprechen einen radikalen Fortschritt: Wofür ein Supercomputer heute noch 150 Jahre braucht, dafür benötigen sie gerade mal eine Sekunde. Worauf beruht dieser enorme Fortschritt?

Das Quanten-Bit

In der Quantenphysik bekommt die Grundeinheit der Information eine neue Bedeutung: Aus dem Bit wird das Qubit (gesprochen Kjubit). Während ein klassisches Bit sich für einen Zustand entscheiden muss, existiert das Qubit als Superposition aller möglichen Zustände, es ist also 0 und 1 und irgendetwas dazwischen gleichzeitig.

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Die Bloch-Kugel (Bild: Smite-Meister/CC BY-SA 3.0)

Die Theoretiker symbolisieren das gern durch die Bloch-Kugel. Die klassischen Werte 0 und 1 werden durch Pfeile durch den Nord- und den Südpol dieser Kugel dargestellt. Das Qubit kann aber auch alle anderen Werte annehmen, die auf der Kugeloberfläche liegen.

Auf den ersten Blick könnte man deshalb vermuten, dass sich in einem Qubit unendlich viele Informationen verstecken lassen. Denn die Kugeloberfläche bietet ja Platz für alle möglichen Kombinationen von Werten. Ganz so leicht macht es uns die Quantentheorie aber dann doch nicht, denn bei jeder Messung wird aus der Überlagerung von Zuständen schließlich doch wieder ein ganz konkreter Zustand, ein klassisches Bit.

Mit welcher Wahrscheinlichkeit 0 oder 1 auftreten, das wird durch die vorherige, uns außerhalb der Messung verborgen bleibende Zustandsmischung definiert.