Quanten verstehen. Schritt für Schritt.
Beginne mit einem Qubit. Entdecke dann gemeinsame Zustände und die Idee hinter der Suche. Die Bilder helfen beim Einstieg; ihre Grenzen erklären wir jeweils dazu.
Vom Lichtschalter zum Qubit
Ein klassisches Bit hat den Wert 0 oder 1. Beim Qubit kann der Zustand eine Superposition beider Möglichkeiten sein. Die Münze hilft beim Einstieg: Eine Messung liefert ein Ergebnis, dessen Wahrscheinlichkeit wir berechnen können. Der Unterschied zum Münzwurf steckt in den Amplituden. Sie können sich wie Wellen verstärken oder auslöschen.
Mehr dazu: Was ist echt an dem Bild?
Echt ist: Vor dem Nachsehen tragen beide Möglichkeiten zur Rechnung bei, und das Nachsehen liefert immer nur eine davon. Wie oft Kopf und wie oft Zahl kommt, kann das Programm einstellen.
Nur ein Bild ist: die Drehung. Ein Qubit rotiert nicht wirklich. Und viele Qubits geben nicht „viele Antworten gleichzeitig“ aus. Das Nachsehen liefert immer genau eine Antwort.
Eine verdeckte Münze allein beschreibt diesen Unterschied nicht. Ein Qubit hat auch eine relative Phase. Mit passenden Rechenschritten verändert sie die Wahrscheinlichkeiten der späteren Messung. Diese Interferenz macht Superposition für Quantenprogramme nutzbar.
Zwei Qubits, ein gemeinsamer Zustand
Jetzt zeigen zwei Münzen ein Bild für ein verschränktes Paar: eine in Berlin, eine in New York. In diesem Beispiel liefern Messungen in derselben Basis gleiche Ergebnisse. Jedes Ergebnis allein ist zufällig. Das Paar hat einen gemeinsamen Quantenzustand; es verschickt keine Nachricht. Gleiche Münzen zeigen einen Zusammenhang, beweisen allein aber noch keine Verschränkung.
Mehr dazu: Das Handschuh-Paar
Stell dir vor, jemand packt blind einen linken und einen rechten Handschuh in zwei Pakete. Eines geht nach Berlin, eines nach New York. Öffnest du in Berlin und findest den linken, weißt du sofort: In New York liegt der rechte. Daran ist nichts magisch. Das stand beim Einpacken schon fest.
Der Quanten-Unterschied zeigt sich erst beim Vergleich verschiedener Messeinstellungen. Verschränkte Zustände können Zusammenhänge zeigen, die kein lokales Modell mit vorher festgelegten Handschuh-Eigenschaften reproduziert. Unser Münzbild zeigt nur eine Messeinstellung, nicht diesen vollständigen Test.
Solche Bell-Tests unterscheiden Quantenkorrelationen von lokalen Modellen mit vorher festgelegten Ergebnissen. Für Experimente mit verschränkten Photonen und die Verletzung von Bell-Ungleichungen gab es 2022 den Physik-Nobelpreis. Eine Nachricht lässt sich damit nicht schneller als Licht übertragen.
Mehr dazu: Was ist echt an dem Bild?
Echt ist: Die Ergebnisse gehören zusammen, und der Abstand spielt keine Rolle. Das haben Experimente vielfach bestätigt.
Nur ein Bild ist: dass die eine Münze der anderen „Bescheid sagt“. Es gibt keine Nachricht dazwischen. Den Zusammenhang sieht man erst, wenn man beide Ergebnisse nebeneinanderlegt.
Wie Wellen eine Suche verändern
Die Animation vergleicht eine Suche Weg für Weg mit einem Wellenbild. Ein Quantenprogramm kann Amplituden so verändern, dass sich unerwünschte Ergebnisse abschwächen und ein gesuchtes Ergebnis verstärkt. Dafür braucht es eine passende Schaltung. Die vorgegebenen Animationszeiten sind keine gemessenen Rechenzeiten.
Mehr dazu: Was steckt dahinter?
Amplituden können sich verstärken oder auslöschen. Ein Suchalgorithmus wie Grover nutzt diese Interferenz, um die Trefferwahrscheinlichkeit schrittweise zu erhöhen. Das Ergebnis ist nicht bei jeder Messung sicher. Wie gut die Suche funktioniert, hängt von der Aufgabe und den gewählten Rechenschritten ab.
Das Labyrinth erklärt die Idee, führt aber keinen Grover-Algorithmus aus. Einen berechneten Suchversuch findest du beim Zahlenschloss.
Quantenprogramme für Moleküle und Materialien
Forschende betreiben supraleitende Qubits in Kühlsystemen nahe dem absoluten Nullpunkt. Die goldene Struktur zeigt ein solches Kühlsystem. Andere Bauarten nutzen zum Beispiel Atome oder Spins in Diamanten. Mit unserem Simulator kannst du Quantenprogramme ohne eigene Quantenhardware untersuchen.
Medizin
Forschende berechnen Energien und Eigenschaften von Molekülen. Solche Modelle können die Wirkstoffforschung unterstützen. Sicherheit und Wirksamkeit eines Medikaments müssen sie durch weitere Untersuchungen belegen.
Klimaschutz
Mit Quantenmodellen untersuchen Forschende Materialien für Batterien und Katalysatoren. Sie prüfen dabei, welche Verfahren gegenüber bestehenden klassischen Rechnungen helfen.
Logistik
Bei Routen und Lieferplänen vergleichen Forschende Quantenalgorithmen mit klassischen Optimierern. Ein praktischer Vorteil muss sich an einer konkreten Aufgabe zeigen.
Stand der Anwendungen: Viele vorgeschlagene Anwendungen erfordern größere, fehlerkorrigierte Quantencomputer. Forschende prüfen, für welche Aufgaben sich der Aufwand lohnt. Hier kannst du die zugrunde liegenden Programme im Simulator kennenlernen.
Hast du die zwei Tricks verstanden?
Fünf Fragen, sofort die Auflösung. Falsch raten ist erlaubt.
So nutzt du unser Quantenlabor
- Die Rechnung: Unser i9 mit Grafikkarte berechnet die Quantenschaltungen der Experimentier-Karten und der Schatzsuche. Aus den berechneten Wahrscheinlichkeiten ziehen wir die angezeigten Messstichproben.
- Die Erklärbilder: Mit Münzen und dem Labyrinth erklären wir Zufall, Zusammenhänge und Interferenz. Die Animationen zeigen keine Teilchenbahnen. Für die Rechnung verwenden wir komplexe Amplituden.
- Der Aufwand: Unser PC simuliert die Quantenprogramme mit klassischer Hardware. Für einen vollständigen Zustandsvektor verdoppelt jedes zusätzliche Qubit den Speicherbedarf. Bei passenden Aufgaben nutzen kompakte Darstellungen weniger Speicher. Deshalb nennen wir neben der Qubit-Zahl das Verfahren und die Aufgabe; eine 120-Qubit-Spezialaufgabe ist kein allgemeiner 120-Qubit-Simulator.
Jetzt selbst ausprobieren.
Tippe ein Ergebnis und lass unseren Rechner die Quantenschaltung simulieren.