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Theorie
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Alles zum Nachschlagen

Die Rechenregeln

Hier steht alles, was die vier Schlösser von Box 2 verlangen — keine Frage braucht Wissen von außerhalb dieser Seite.

1 · Amplituden und ihr Quadrat

Ein Qubit schreibt man als |ψ⟩ = α·|0⟩ + β·|1⟩. Die beiden Zahlen α und β heißen Amplituden. Sie sind keine Wahrscheinlichkeiten — die bekommt man erst durch Quadrieren.

P(0) = |α|²  ·  P(1) = |β|²
Born’sche Regel — die Brücke von der Rechnung zur Messung

Weil bei jeder Messung genau ein Ergebnis herauskommt, müssen sich die beiden Wahrscheinlichkeiten zu 1 addieren. Das ist die Normierung:

|α|² + |β|² = 1
Jeder erlaubte Qubit-Zustand erfüllt sie

Vorwärts gerechnet

Gegeben |ψ⟩ = 0,6·|0⟩ + 0,8·|1⟩:

  1. P(0) = 0,6² = 0,36 — also 36 %
  2. P(1) = 0,8² = 0,64 — also 64 %
  3. Probe: 0,36 + 0,64 = 1 ✓

Die häufigste Falle: 0,8 als „80 %“ zu lesen. Erst das Quadrat ist die Wahrscheinlichkeit.

Rückwärts gerechnet

Gegeben |ψ⟩ = 0,6·|0⟩ + b·|1⟩ mit reellem b > 0. Gesucht ist b:

  1. Normierung ansetzen: 0,6² + b² = 1
  2. Umstellen: b² = 1 − 0,36 = 0,64
  3. Wurzel ziehen: b = 0,8

2 · Warum 2n alles verändert

Ein einzelnes Qubit braucht zwei Amplituden: eine für |0⟩, eine für |1⟩. Zwei Qubits haben vier mögliche Ergebnisse — |00⟩, |01⟩, |10⟩, |11⟩ — und brauchen daher vier Amplituden. Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Zahl.

n Qubits → 2n Amplituden
Alle zusammen beschreiben den Zustand vollständig
QubitsAmplitudenGrößenordnung
12trivial
101 0242¹⁰ — passt in jeden Taschenrechner
201 048 576schon über eine Million
3002³⁰⁰mehr als Atome im sichtbaren Universum

Genau deshalb lässt sich ein größerer Quantencomputer auf klassischen Rechnern nicht mehr simulieren — nicht weil er „schneller“ wäre, sondern weil die Buchhaltung explodiert.

3 · Was eine Messung tut

Vor der Messung ist ein Qubit in Superposition. Die Messung liefert genau ein Ergebnis, und danach ist der Zustand tatsächlich dieses Ergebnis — die Superposition ist weg. Man nennt das Kollaps.

Die Folge daraus
Misst du (|0⟩ + |1⟩)/√2 und bekommst 1, dann ist das Qubit jetzt in |1⟩. Eine sofortige zweite Messung liefert wieder 1 — mit Sicherheit, nicht mehr zufällig. Der Zufall steckt im ersten Blick, nicht im zweiten.

Superposition ist kein Unwissen

Bei einer verdeckten Münze steht das Ergebnis längst fest, wir kennen es nur nicht. Bei einem Qubit steht es nicht fest. Der Unterschied ist messbar: Nur echte Superpositionen können sich überlagern und gegenseitig auslöschen. Bloßes Unwissen kann das nie — wo nichts schwingt, löscht sich auch nichts aus.

Genau darauf beruht der Test mit dem Hadamard-Gatter: Zweimal H hintereinander bringt |0⟩ exakt zu |0⟩ zurück. Wäre der Zwischenzustand nur ein unbekannter Münzwurf gewesen, käme in der Hälfte der Fälle 1 heraus.

Kein Bewusstsein nötig

„Messen“ heißt Wechselwirkung, die Information nach außen trägt — ein Detektor, eine Fotoplatte, ein Luftmolekül. Es braucht keine Person, die hinsieht. Ein Detektor misst auch nachts, wenn niemand im Labor ist. Dass große Objekte nie in Superposition erscheinen, liegt an derselben Ursache: Sie wechselwirken unablässig mit ihrer Umgebung — Dekohärenz.

4 · Gatter sind Drehungen

Jeder Qubit-Zustand ist ein Punkt auf der Bloch-Kugel. Der Winkel θ misst, wie weit der Zustand vom Nordpol |0⟩ weg ist. Ein Gatter dreht diesen Punkt — mehr nicht.

P(1) = sin²(θ/2)
Achtung auf das halbe θ — daher sind Nord- und Südpol 180° auseinander
θP(1)Zustand
0°0|0⟩ — Nordpol
60°0,25sin²(30°) = 0,25
90°0,5Äquator, z. B. |+⟩
120°0,75sin²(60°) = 0,75
180°1|1⟩ — Südpol

Eine Drehung Ry(φ) um die y-Achse erhöht θ direkt um φ. Startet man also bei |0⟩ (θ = 0°) und wendet Ry(120°) an, steht man bei θ = 120° — und damit bei P(1) = 0,75.

Die vier, die du brauchst

H Hadamard. Holt |0⟩ auf den Äquator und erzeugt die Gleichverteilung (|0⟩ + |1⟩)/√2 — also P(0) = P(1) = 0,5. Das Standardwerkzeug für Superposition.
H·H Zweimal H hebt sich auf: zurück zu exakt |0⟩.
X Halbe Drehung um x. Macht aus |0⟩ ein |1⟩ — das NICHT-Gatter der Quantenwelt.
Z Halbe Drehung um z. Die Pole |0⟩ und |1⟩ bleiben liegen, aber am Äquator dreht sich alles auf die Gegenseite: |+⟩ → |−⟩.
Warum Z ausgerechnet |+⟩ umdreht
|+⟩ = (|0⟩ + |1⟩)/√2 liegt auf dem Äquator. Z kippt das Vorzeichen vor |1⟩ und macht daraus |−⟩ = (|0⟩ − |1⟩)/√2 — den gegenüberliegenden Punkt. Gemessen in der 0/1-Basis ändert sich dabei nichts (beide geben 50 : 50). Sichtbar wird der Unterschied erst, wenn man danach wieder H anwendet: aus |+⟩ wird |0⟩, aus |−⟩ wird |1⟩.

5 · Wie viel Energie steckt in Licht?

Licht kommt in Portionen — Photonen. Die Energie einer Portion hängt allein von der Frequenz ab, nicht von der Helligkeit. Helleres Licht heißt: mehr Photonen, nicht kräftigere.

E = h·f = h·c / λ
h = 6,626·10⁻³⁴ J·s — das Plancksche Wirkungsquantum

In der Praxis rechnet niemand mit diesen Zehnerpotenzen. Man misst Energie in Elektronenvolt und Wellenlänge in Nanometern, dann schrumpft die Formel zu einer Zahl, die man sich merken kann:

E [eV] = 1240 / λ [nm]
h·c ≈ 1240 eV·nm — die nützlichste Faustformel der Optik

Beispiel

Welche Energie hat ein Photon mit λ = 620 nm?

  1. Formel ansetzen: E = 1240 / 620
  2. Ausrechnen: E = 2,0 eV
  3. Plausibilität: 620 nm ist orange-rot — das energiearme Ende des sichtbaren Lichts
WellenlängeEnergieFarbe
700 nm1,8 eVtiefrot
620 nm2,0 eVorange-rot
500 nm2,5 eVgrün
400 nm3,1 eVviolett

Merkhilfe: Kurze Wellenlänge, hohe Energie. Deshalb macht UV-Licht Sonnenbrand und rotes Licht nicht.

6 · Der Bell-Zustand

Zwei Qubits lassen sich so verbinden, dass keines für sich einen eigenen Zustand hat — nur das Paar gemeinsam. Der bekannteste solche Zustand:

|Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩) / √2
Gebaut aus H auf dem ersten Qubit, dann CNOT

In der Klammer stehen nur |00⟩ und |11⟩. Was nicht dasteht, hat Amplitude 0 — und nach der Born’schen Regel damit Wahrscheinlichkeit 0:

ErgebnisAmplitudeWahrscheinlichkeit
001/√250 %
0100 % — kommt nie vor
1000 % — kommt nie vor
111/√250 %

Misst du also das erste Qubit und bekommst 0, dann liefert das zweite mit Sicherheit ebenfalls 0 — egal wie weit die beiden voneinander entfernt sind. Für sich allein betrachtet ist jedes der beiden Qubits trotzdem völlig zufällig: 50 zu 50.

Und warum man damit nicht schneller als Licht funkt
Du kannst dein Ergebnis nicht wählen — es fällt zufällig aus. Damit lässt sich keine Nachricht hineinlegen. Wer nur seine eigene Seite ansieht, sieht reines Rauschen. Die Übereinstimmung wird erst sichtbar, wenn beide Seiten ihre Listen vergleichen — und dieser Vergleich läuft über einen ganz gewöhnlichen Kanal, also höchstens mit Lichtgeschwindigkeit.

Wozu es heute schon dient

Der handfeste Nutzen ist der abhörsichere Schlüsselaustausch, die Quantenkryptografie. Zwei Seiten teilen sich verschränkte Paare und gewinnen daraus eine gemeinsame Zufallsfolge als geheimen Schlüssel. Ein Lauscher müsste messen — und jede Messung zerstört den Zustand nachweisbar. Der Angriff verrät sich also selbst, statt unbemerkt zu bleiben. Solche Strecken laufen bereits zwischen Städten und über Satellit.

7 · Was Quantentechnik kann — und was nicht

Quantenphysik ist nicht exotisch

Sie gilt nicht nur für das Allerkleinste im Labor. Laser, LEDs, Solarzellen, Transistoren in jedem Handy-Chip, MRT im Krankenhaus und die Atomuhren im GPS beruhen sämtlich auf ihr. Sie ist die bestbestätigte Theorie der Physik — und steckt in deiner Hosentasche.

Ein Quantencomputer probiert nicht alles durch

Die verbreitetste Fehlvorstellung. Zwar sind alle Möglichkeiten gleichzeitig im Spiel — aber gemessen werden darf nur einmal, und heraus käme eine zufällige Antwort. Nützlich wird es erst, wenn man die falschen Möglichkeiten vorher durch Interferenz auslöscht und die richtige verstärkt. Genau daran scheitern die meisten Ideen für Quantenalgorithmen.

Und dein Handy ersetzt er auch nicht

Ein Quantencomputer ist ein Spezialwerkzeug, kein besserer Alleskönner: bei bestimmten Aufgaben überlegen, bei den meisten anderen langsamer als dein Laptop. Für Videos, Chats und Spiele bleibt der normale Rechner klar vorn. Dazu kommt der Aufwand — Kühlung fast auf den absoluten Nullpunkt und massive Abschirmung, weil jede Störung die Superposition zerstört. Am aussichtsreichsten sind Moleküle und Materialien zu simulieren: Die sind selbst Quantensysteme.

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