Quantencomputer rechnen nicht mehr mit Transistoren, sondern mit Quantenbits, kurz Qubits. Das Quantenbit oder Qubit ist das Analog zum klassischen Bit bei herkömmlichen Computern: Es dient als kleinstmögliche Speichereinheit und definiert gleichzeitig ein Maß für die Information. Konkret kann es aus Atomen, Elektronen, Molekülen oder Photonen bestehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits können Qubits nicht nur zwei Zustände annehmen, sondern auch beide Zustände quantenphysikalisch überlagern.

Schrödingers Gedankenexperiment © GFDL

Zwischen zwei Zuständen
Veranschaulichen lässt sich dies mit dem berühmten Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger: Er beschreibt es im November 1935 in einem Artikel in der Zeitschrift „Naturwissenschaften“ folgendermaßen: „Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muss): In einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, dass im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines. Geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert.“

Das ganze System wird eine Stunde unbeobachtet sich selbst überlassen. Während dieser Zeit ist der Zustand des Atoms in einer Überlagerung: zerfallen oder nicht zerfallen. Denn solange wir nicht nachgeschaut haben, können wir die Wahrscheinlichkeit, dass das Atom zerfallen ist, nur schätzen. Entsprechend wäre die Katze in der Kammer – theoretisch betrachtet – ebenfalls in einem Überlagerungszustand zwischen lebendig und tot. Sobald wir jedoch die Kammer öffnen und nachschauen, enden alle Überlagerungen. Denn an Stelle der Wahrscheinlichkeiten treten jetzt konkrete Beobachtungen oder Messungen.

Atom oder Molekül? Beides!
2007 ist es Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik nun erstmals gelungen, einen solchen Überlagerungszustand aus Atom und Molekül in reiner Form zu beobachten. In den Experimenten konnten sich Paare aus je zwei Rubidiumatomen „nicht entscheiden“, ob sie miteinander eine Molekülbindung eingehen oder im atomaren Zustand verharren sollten. Stattdessen schwangen Pärchen zwischen beiden Zuständen hin und her und nahmen dazwischen einen Zustand ein, in dem sie beides, Moleküle und Atome, zugleich waren.