Quantum Computing erklärt: Wie Qubits funktionieren und warum es jetzt wichtig ist

Ein klassischer Computer speichert Informationen in Bits, die entweder 0 oder 1 sind, wie ein Schalter, der an oder aus ist. Ein Quantencomputer verwendet stattdessen Qubits, die laut IBMs offizieller Erklärung zum Quantencomputing gleichzeitig 0, 1 oder eine gewichtete Kombination beider darstellen können. Diese Eigenschaft, Superposition genannt, ist einer der Gründe, warum Quantenmaschinen viele mögliche Antworten auf bestimmte Probleme gleichzeitig erkunden können, anstatt eine nach der anderen.

Die Physik hinter der Maschine

IBM identifiziert vier quantenmechanische Effekte, die Quantencomputing möglich machen: Superposition, Verschränkung, Interferenz und Dekohärenz. Die Verschränkung verbindet Qubits so, dass die Messung eines Qubits Informationen über ein anderes offenbart, auch wenn die beiden physisch voneinander entfernt sind. Interferenz ermöglicht einem Quantenschaltkreis, korrekte Antworten zu verstärken und falsche auszulöschen, auf die gleiche Weise wie sich überlappende Wellen gegenseitig verstärken oder aufheben können. Dekohärenz ist der entgegengesetzte Effekt – Quantenzustände kollabieren in gewöhnliche klassische Werte – und er ist das Haupthindernis, das Ingenieure unterdrücken müssen, um einen Quantenprozessor nützlich zu halten, nach IBM.

Qubits können aus mehreren physikalischen Systemen gebaut werden, einschließlich supraleitender Schaltkreise, die auf nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, gefangener Ionen, Quantenpunkte und Photonen. IBMs eigene Quantenprozessoren verlassen sich auf supraleitende Schaltkreise, weil sie mit bestehenden Chip-Fertigungstechniken hergestellt und gesteuert werden können, wie IBM angibt.

Ein überprüfbarer Vorteil: Googles Willow-Chip

Am 22. Oktober 2025 kündigte Google an, dass sein 105-Qubit-Prozessor Willow das erreicht hatte, was das Unternehmen als den ersten überprüfbaren Quantenvorteil bezeichnete, unter Verwendung eines Algorithmus, den es Quantum Echoes nannte, wie auf Googles offiziellem Blog angekündigt wurde. Der Algorithmus sendet ein Signal in einen Satz von Qubits, stört einen von ihnen, und kehrt dann die Signalentwicklung um, um auf ein verstärktes 'Echo' zu lauschen, das durch konstruktive Interferenz erzeugt wird.

Google berichtete, dass Quantum Echoes auf Willow 13.000-mal schneller lief als der beste bekannte klassische Algorithmus, der auf einem der schnellsten Supercomputer der Welt lief. Das Unternehmen betonte, dass dieses Ergebnis, anders als sein Quantum-Supremacy-Anspruch von 2019, 'überprüfbar' ist – es kann auf vergleichbarer Quantenhardware wiederholt und überprüft werden, anstatt sich auf eine Sampling-Aufgabe zu verlassen, bei der es keine unabhängige Möglichkeit gibt, das Ergebnis zu bestätigen.

In Zusammenarbeit mit Forschern der University of California, Berkeley, verwendete Google den Algorithmus zum Studium von Kernmagnetresonanz (NMR)-Signalen von Molekülen mit 15 und 28 Atomen, was auf mögliche zukünftige Anwendungen in der Wirkstoffforschung, Batteriematerialien und der Konstruktion neuer Qubits hindeutet, wie in der gleichen Google-Ankündigung angegeben.

IBMs Weg von 'Nützlichkeit' zur Fehlertoleranz

IBM unterscheidet zwischen mehreren Fortschrittsstufen. Das Unternehmen sagt, dass es 2023 'Quantennützlichkeit' erreicht hat, was bedeutet, dass seine Quantenprozessoren klassische Approximationsmethoden bei spezifischen Aufgaben übertreffen konnten. IBM hat gesagt, dass es erwartet, bis Ende 2026 'Quantenvorteil' zu erreichen – alles bekannte klassische Methoden bei einem praktischen Problem zu übertreffen, nach der eigenen Quantum-Computing-Übersicht des Unternehmens.

Darüber hinaus hat IBM eine Roadmap zur fehlertoleranten Quantenberechnung veröffentlicht, bei der Fehler erkannt und korrigiert werden, bevor sie eine Berechnung beschädigen. Die Roadmap beschreibt einen Chip namens Quantum Loon, der 2025 mit zusätzlicher Qubit-Konnektivität für Machbarkeitsstudien zu hochraten-qLDPC-Codes freigegeben wurde, ein Modul namens Quantum Kookaburra, das für 2026 geplant ist und Informationen mit quantenmechanischem Niedrig-Dichte-Parität-Check (qLDPC)-Speicher speichert, und ein System namens Starling für 2029, das IBM sagen sollte, 100 Millionen Quantengatter auf 200 logischen Qubits laufen sollte. IBMs Fehlerkorrekturansatz verwendet das, was es 'bivariate Fahrradcodes' nennt, einschließlich eines '[[144,12,12]] Bruttocodes', bei dem das Unternehmen sagt, dass etwa zehnmal weniger physische Qubits als frühere Oberflächencode-Methoden benötigt werden, um den gleichen Fehlerschutz zu erreichen.

Warum die Verschlüsselung bereits neu geschrieben wird

Quantencomputer sind über das Labor hinaus wichtig, weil es Shors Algorithmus gibt, eine mathematische Methode, die 1994 von Peter Shor veröffentlicht wurde und zeigt, dass ein ausreichend leistungsstarker Quantencomputer große Zahlen faktorisieren könnte – und daher die weit verbreitete RSA-Verschlüsselung brechen könnte – viel schneller als jeder klassische Computer, wie IBMs Übersicht anmerkt.

Dieses Risiko ist für Standards-Organisationen nicht hypothetisch. Am 13. August 2024 hat das U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) seine ersten drei Post-Quanten-Verschlüsselungsstandards abgeschlossen: FIPS 203 (ML-KEM) für allgemeine Verschlüsselung und FIPS 204 (ML-DSA) und FIPS 205 (SLH-DSA) für digitale Signaturen, gemäß NISTss offizieller Ankündigung. NIST-Mathematiker Dustin Moody sagte, dass Organisationen 'sollten mit der Integration in ihre Systeme sofort beginnen, da die vollständige Integration Zeit in Anspruch nehmen wird.'

Was Quantencomputer nicht sind

IBMs Materialien betonen, dass Quantencomputer nicht einfach schnellere Versionen gewöhnlicher Computer sind; sie sind für spezifische Problemklassen geeignet – wie die Simulation von Molekülen, chemischen Reaktionen und bestimmten Optimierungs- oder Machine-Learning-Aufgaben – bei denen die Anzahl der wechselwirkenden Variablen zu groß für klassische Computer ist, um sie effizient zu verfolgen. Für alltägliche Aufgaben wie Textverarbeitung oder Web-Browsing bleiben klassische Computer weitaus praktischer.