Was ist ein Quantencomputer?
Ein Quantencomputer rechnet mit Qubits statt mit gewöhnlichen Bits. Ein Qubit kann sich in einer Überlagerung aus 0 und 1 befinden, mehrere Qubits können miteinander verschränkt sein. Geschickt gebaute Quantenprogramme nutzen das, um bei bestimmten Aufgaben mit deutlich weniger Rechenschritten auszukommen als ein normaler Computer. Ein Alleskönner ist er nicht: Für die meisten Alltagsaufgaben bleibt der normale Computer schneller und günstiger.
Bit und Qubit: der Unterschied
Ein normaler Computer speichert alles als Bits. Ein Bit ist wie ein Lichtschalter: an oder aus, 1 oder 0. Auch Fotos, Musik und diese Seite bestehen am Ende aus sehr vielen solchen Schaltern.
Ein Qubit verhält sich anders. Vor der Messung ist es nicht einfach 0 oder 1, sondern in einem Zustand, der beide Möglichkeiten mit bestimmten Gewichten enthält. Erst die Messung liefert ein eindeutiges Ergebnis, und zwar zufällig, mit einer Wahrscheinlichkeit, die von diesen Gewichten abhängt. Ein gutes Bild ist eine geworfene Münze in der Luft: Erst wenn sie landet, steht fest, ob Kopf oder Zahl oben liegt.
Das Besondere zeigt sich bei vielen Qubits. Um den Zustand von n Qubits vollständig zu beschreiben, braucht man 2 hoch n Zahlen. Bei 10 Qubits sind das 1.024 Zahlen, bei 35 Qubits schon über 34 Milliarden. Genau deshalb ist es so schwer, Quantencomputer auf normalen Rechnern nachzubilden.
Probier es aus: das Qubit als Münze Überlagerung, Verschränkung, Interferenz: die drei Tricks
Überlagerung bedeutet, dass ein Qubit mehrere Möglichkeiten zugleich in sich trägt, bis es gemessen wird. Ein Quantenprogramm verändert diese Möglichkeiten Schritt für Schritt mit sogenannten Gattern.
Verschränkung verbindet mehrere Qubits so, dass ihre Messergebnisse zusammenhängen. Misst man das eine, weiß man sofort etwas über das andere, auch wenn jedes einzelne Ergebnis für sich zufällig aussieht. Daraus entstehen gemeinsame Zustände, die sich nicht mehr in einzelne Qubits zerlegen lassen.
Interferenz ist der eigentliche Rechentrick. Die Gewichte der Möglichkeiten verhalten sich wie Wellen: Sie können sich verstärken oder gegenseitig auslöschen. Ein gutes Quantenprogramm ist so gebaut, dass sich die falschen Antworten auslöschen und die richtige verstärkt wird. Am Ende misst man dann mit hoher Wahrscheinlichkeit das gesuchte Ergebnis.
Probier es aus: zwei verschränkte Münzen Was kann ein Quantencomputer, und was nicht?
Ein Quantencomputer ist kein schnellerer Allzweckrechner. Er lohnt sich nur bei Aufgaben, für die es Quantenprogramme mit einem echten Vorteil gibt. Dazu gehören die Simulation von Molekülen und Materialien, bestimmte Such- und Optimierungsaufgaben und das Zerlegen sehr großer Zahlen in ihre Faktoren.
Ein bekanntes Beispiel ist die Suche nach dem Algorithmus von Grover: Bei einer Liste mit einer Million Einträgen braucht ein normaler Computer im ungünstigsten Fall eine Million Versuche, ein Quantencomputer nur etwa tausend Schritte. Das ist ein großer, aber kein unbegrenzter Vorteil.
Für E-Mails, Tabellen, Videos oder Spiele bringt ein Quantencomputer nichts. Er wird den normalen Computer deshalb nicht ersetzen, sondern als Spezialwerkzeug ergänzen, ähnlich wie eine Grafikkarte den Hauptprozessor ergänzt.
Kann ein Quantencomputer Verschlüsselung knacken?
Heute nicht. Viele Verschlüsselungsverfahren im Internet, etwa RSA, beruhen darauf, dass normale Computer sehr große Zahlen praktisch nicht in ihre Faktoren zerlegen können. Ein ausreichend großer, fehlerkorrigierter Quantencomputer könnte das mit dem Algorithmus von Shor deutlich schneller.
Wie groß „ausreichend“ ist, wird immer genauer abgeschätzt. Eine Arbeit von Craig Gidney aus dem Mai 2025 kommt für RSA mit 2048 Bit auf weniger als eine Million fehleranfällige Qubits und eine Rechenzeit von unter einer Woche. Die größten heutigen Geräte haben rund tausend Qubits, und die sind deutlich fehleranfälliger als dort angenommen. Der Abstand ist also noch groß, aber er schrumpft.
Deshalb wird schon jetzt umgestellt: Die US-Normungsbehörde NIST hat am 13. August 2024 die ersten drei Standards für quantensichere Verschlüsselung veröffentlicht. Wichtige Daten, die lange geheim bleiben müssen, sollten mittelfristig damit geschützt werden.
Bei uns kannst du das Prinzip gefahrlos ausprobieren: Unser Zahlenschloss-Experiment sucht deinen Code mit einer simulierten Quantensuche.
Probier es aus: Findet die Quantensuche deinen Code? Gibt es schon Quantencomputer?
Ja, aber noch keine, die im Alltag nützliche Aufgaben besser lösen als normale Computer. Weltweit bauen Unternehmen und Forschungseinrichtungen Quantencomputer mit unterschiedlichen Techniken: supraleitende Schaltkreise, gefangene Ionen, neutrale Atome oder Lichtteilchen.
Ein Meilenstein war Googles Chip „Willow“ mit 105 Qubits im Dezember 2024. Laut Google sinkt dort der Fehler, je mehr Qubits für die Fehlerkorrektur zusammenarbeiten, und eine spezielle Testrechnung lief in unter fünf Minuten. Solche Testrechnungen sind bewusst so gewählt, dass sie für normale Computer schwer sind, und haben selbst noch keinen praktischen Nutzen.
Die größte Hürde sind Fehler. Qubits reagieren empfindlich auf Wärme, Strahlung und kleinste Störungen. Für viele nützliche Anwendungen braucht man deshalb fehlerkorrigierte Qubits, die aus vielen physischen Qubits zusammengesetzt werden. Daran arbeitet die ganze Branche.
Wie viele Qubits braucht man, und warum ist Simulieren so schwer?
Jedes zusätzliche Qubit verdoppelt den Speicher, den ein normaler Computer für eine exakte Simulation braucht. Bei 35 Qubits sind es über 34 Milliarden komplexe Zahlen, in doppelter Genauigkeit 512 GiB. Bei 50 Qubits wären es bereits 16 Pebibyte, mehr als in einen Großrechner passt.
Wir bei Qubitwerk erforschen genau diese Grenze. Im Forschungstest haben wir eine vollständige 35-Qubit-Schaltung auf einem normalen PC mit Intel Core i9 und RTX 3090 berechnet. Bei zwölf gemischten Testaufträgen brauchte unser Forschungsprototyp 12,23 Sekunden, das verbreitete Werkzeug Qiskit Aer auf demselben PC 24,58 Sekunden. Alle Messbedingungen und Prüfungen stehen auf unserer Forschungsseite.
Simulatoren sind wichtig, weil sie Quantenprogramme prüfbar machen, bevor sie auf echter Hardware laufen, und weil sie zeigen, ab wann ein Quantencomputer wirklich einen Vorteil hat.
Quantencomputer selbst ausprobieren
Du musst keine Physik studieren, um zu verstehen, wie ein Quantencomputer rechnet. Auf Qubitwerk kannst du ohne Anmeldung ausprobieren: Qubits als Münzen, Wellen, die sich verstärken oder auslöschen, verschränkte Zwillingsmünzen, eine Schatzsuche nach Grover und das Zahlenschloss.
In der freien Spielwiese baust du eigene Quantenschaltungen mit bis zu drei Qubits, im Diamant-Labor steuerst du ein simuliertes Qubit mit Mikrowellenimpulsen. Für Schulen entwickeln wir eine kostenlose App für iPad und iPhone, die das Thema in einer Unterrichtsstunde anschaulich macht.
Häufige Fragen zum Quantencomputer
Wie funktioniert ein Quantencomputer einfach erklärt?
Er rechnet mit Qubits, die vor der Messung mehrere Möglichkeiten zugleich enthalten. Ein Quantenprogramm verändert diese Möglichkeiten so, dass sich falsche Antworten gegenseitig auslöschen und die richtige verstärkt wird. Die Messung liefert dann mit hoher Wahrscheinlichkeit das gesuchte Ergebnis.
Was ist ein Qubit?
Ein Qubit ist die kleinste Recheneinheit eines Quantencomputers. Anders als ein Bit ist es vor der Messung nicht einfach 0 oder 1, sondern in einer Überlagerung beider Werte. Erst die Messung ergibt ein eindeutiges Ergebnis.
Ist ein Quantencomputer schneller als ein normaler Computer?
Nur bei bestimmten Aufgaben, für die es passende Quantenprogramme gibt, etwa bei der Simulation von Molekülen oder beim Zerlegen großer Zahlen. Für Alltagsaufgaben ist der normale Computer schneller und günstiger.
Kann ein Quantencomputer heute Passwörter oder Verschlüsselung knacken?
Nein. Dafür bräuchte man nach aktuellen Abschätzungen sehr viel größere und fehlerkorrigierte Quantencomputer als heute. Trotzdem wird bereits auf quantensichere Verschlüsselung umgestellt, die NIST im August 2024 standardisiert hat.
Gibt es schon Quantencomputer zu kaufen?
Einzelne Hersteller verkaufen oder vermieten Quantencomputer an Forschung und Unternehmen, meist über die Cloud. Für Privatleute gibt es keine Geräte, aber man kann Quantenprogramme im Browser simulieren, zum Beispiel auf Qubitwerk.
Kann ich einen Quantencomputer selbst ausprobieren?
Ja, mit einem Simulator. Auf Qubitwerk kannst du ohne Anmeldung Qubits, Verschränkung und eine Quantensuche ausprobieren und eigene Schaltungen bauen. Die Rechnungen simuliert unser PC.
Warum ist es so schwer, Quantencomputer zu simulieren?
Weil jedes zusätzliche Qubit den nötigen Speicher verdoppelt. 35 Qubits brauchen in doppelter Genauigkeit bereits 512 GiB, 50 Qubits wären 16 Pebibyte.
Quellen
- Bundesregierung: Quantencomputing kurz erklärt
- Google: Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip (Dezember 2024)
- NIST: First 3 Finalized Post-Quantum Encryption Standards (13. August 2024)
- Craig Gidney: How to factor 2048 bit RSA integers with less than a million noisy qubits (arXiv, Mai 2025)
Stand: 31. Oktober 2026
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