Quantencomputer: Entwicklungsstand, Kennzahlen, nächste Schritte

Algorithmustiefe – gibt an, wie viele Operationen in einem Algorithmus nacheinander ausgeführt werden. Je mehr Operationen, desto tiefer der Algorithmus.

Fehlermitigation – soll Rauschen und andere Hardwarefehler reduzieren. Im Gegensatz zur Fehlerkorrektur sollen mögliche Fehler bei der Mitigation nicht korrigiert, sondern vermindert werden.

Fidelity – auf Deutsch Fidelität oder Güte. Gibt an, ob eine Operation so funktioniert, wie sie soll. Die Fidelität wird zwischen null und eins angegeben. Bei einer Fidelität von eins macht die Operation bei jeder Anwendung genau das, was sie soll.

Kohärenz – beschreibt den Grad, zu dem ein Quantensystem in der Lage ist, quantenmechanische Eigenschaften wie Überlagerungszustände, Interferenz oder Verschränkung auszubilden. Quantenkohärenz wird typischerweise durch unerwünschte Wechselwirkung von Quantensystemen mit ihrer Umgebung reduziert, wodurch die Quantenzustände in klassische Zustände übergehen.

Konnektivität – gibt an, wie gut die Qubits untereinander vernetzt sind. Für eine flexible Ausführung von Quantenalgorithmen wird eine möglichst hohe Konnektivität der Qubits angestrebt.

Logisches Qubit – Zusammenschluss mehrerer physikalischer Qubits. Durch Ansteuerung und Verknüpfung der physikalischen Qubits in einem Quantenfehlerkorrekturcode können mehrere physikalische Qubits wie ein einzelnes logisches Qubit betrachtet werden, in dem Quanteninformation redundant gespeichert ist. Dadurch können Fehler der physikalischen Qubits korrigiert werden.

NISQ-Systeme – kurz für Noisy Intermediate-Scale Quantum-Systeme, auf Deutsch verrauschte mittelgroße Quantensysteme. Sie sind der aktuelle Stand in der Entwicklung von Quantencomputern. Die Bezeichnung drückt aus, dass aktuelle Systeme noch zu klein sind und zu viele Fehler machen, um relevante Probleme lösen zu können.

Physikalische Qubits – kontrollierbare, quantenmechanische Systeme, die in zwei Zuständen vorliegen können. Je nach Plattform können sie verschieden realisiert werden, beispielsweise durch unterschiedliche Zustände in einem Atom oder einem Ion.

Prozessorarchitektur – beschreibt den Aufbau und die Abläufe in einem Prozessor.

Quantengatter – Operationen oder elementare Rechenbausteine, die auf einzelnen Qubits oder zwischen Qubits ausgeführt werden können. Verschiedene, hintereinander auf einem Qubit ausgeführte Gatter bilden einen Quantenschaltkreis. So wird mit den Qubits gerechnet.

Quantensysteme – ein System, das nach den Gesetzen der Quantenmechanik funktioniert. Quantenmechanische Eigenschaften zeigen sich besonders im sehr Kleinen und sehr Kalten, zum Beispiel in einzelnen Atomen oder stark gekühlten Schaltkreisen.

Quantenvolumen – Maßzahl, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Quantencomputer zu vergleichen. In das Quantenvolumen fließen mehrere Kennzahlen, wie die Anzahl der Qubits sowie deren Konnektivität und Fehlerraten und die zuverlässig ausführbare Schaltkreistiefe mit ein.

Quanten-Register – Ein Verbund von Qubits, die über quantenmechanische Eigenschaften verknüpft sind und zusammen für Rechenoperationen verwendet werden können.

Qubits – Grundbausteine der Quantencomputer. Sie führen die Rechenoperationen aus. Vergleichbar mit den Bits eines klassischen Computers. Wichtige Plattformen für Qubits sind:

Taktrate – auch Taktfrequenz oder Schaltfrequenz; gibt an, wie häufig eine Schaltung pro Zeit ausgeführt werden kann. Je größer die Taktrate, desto öfter kann die Schaltung in einer bestimmten Zeit ausgeführt werden.