Die Dekohärenz beschreibt den Prozess, dass die quantenmechanische Superposition verloren geht, wenn Quantenobjekte mit ihrer Umgebung wechselwirken. Handelt es sich bei dem Quantenobjekt beispielsweise um ein Atom, so kann dieses zum Beispiel Licht streuen oder an Luftmoleküle stoßen und so mit seiner Umgebung interagieren. Da Objekte in der Natur ständig mit ihrer Umgebung wechselwirken, ist die Dekohärenz der Grund, warum wir Phänomene wie Superposition im Alltag nicht beobachten können. Aber auch in Laboren, in denen Quantenobjekte bestmöglich isoliert werden, können Einflüsse der Umgebung nicht zu 100% vermieden werden, weshalb es auch hier nach kurzer Zeit zur Dekohärenz kommt.
Im klassischen Computing handelt es sich bei den sogenannten Logikgattern, kurz Gatter, um physikalische Bauelemente auf einem Computerchip, die ein binäres Eingangssignal zu einem binären Ausgangssignal verarbeiten. In der Regel bestehen heutige Gatter aus Transistoren und bei den binären Signalen handelt es sich um Spannungssignale. Auf einem klassischen Prozessor befinden sich sehr viele dieser Gatter. Ein Beispiel für ein klassisches Logikgatter ist das UND-Gatter, das den Binärwert 1 ausgibt, wenn alle Eingangssignale 1 sind, und 0 ausgibt, wenn mindestens ein Eingangssignal 0 ist. Bei der sogenannten Kompilierung wird der Code eines Programmierers in Maschinensprache übersetzt, also in eine Abfolge von Befehlen, die an den Prozessor weitergegeben werden. Diese Befehle arbeitet der Prozessor mit Hilfe der Gatter ab. Diese bilden sozusagen die letzte Instanz, mit der der ursprüngliche Algorithmus auf der Hardware umgesetzt wird.
Kryostate sind Kühlgeräte, mit denen sehr tiefe und konstante Temperaturen erzeugt werden. Wie bei einer Thermoskanne sorgt der Aufbau des Behälters für eine gute Wärmeisolation. Zur Kühlung wird eine Kühlflüssigkeit verwendet. Für sehr tiefe Temperaturen handelt es sich dabei um Helium, das erst bei - 269 °C flüssig wird. Mithilfe von Pumpen und durch die Verwendung bestimmter Heliumisotope kann die Temperatur im Kryostat schließlich bis auf wenige Millikelvin oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts (- 273,15 °C) abgesenkt werden, also auf Temperaturen kälter als im Weltall.
NISQ ist die Abkürzung für „Noisy Intermediate-Scale Quantum“. Ein NISQ-Computer ist also ein Quantencomputer, der zum einen nur über eine begrenzte Anzahl von Qubits verfügt (intermediate scale), zum anderen fehlerbehaftet (noisy) ist. Die Genauigkeit der einzelnen Rechenoperationen (= Gatter) ist begrenzt, weshalb Fehler auftreten. Die Gatter sind also „verrauscht“ (engl.: noisy). Heute bereits verfügbare NISQ-Computer besitzen zwischen 50 und mehreren hundert Qubits. Die Fehlerraten der Gatter liegen im Bereich von 1%.
Quanten sind unteilbare, also elementare Pakete, aus denen sich unsere Welt zusammensetzt. Zum einen gibt es die Bausteine der Materie, wie z.B. Elektronen. Zum anderen gibt es die elementaren Energiepakete, die Lichtquanten, die auch als Lichtteilchen oder Photonen bezeichnet werden.
In der Physik hat sich herausgestellt, dass bestimmte physikalische Größen, wie z.B. die Energie eines Elektrons im Atom oder die elektrische Ladung, nicht kontinuierlich variiert werden können, sondern nur diskrete Werte annehmen, die Vielfache einer elementaren Größe – eines Quants – sind. Man sagt, dass die Größe quantisiert ist.
Quantencomputer ist nicht gleich Quantencomputer. Es gibt verschiedene physikalische Systeme, mit denen sich Quantencomputing-Hardware realisieren lässt, von Atomen über Lichtteilchen und Elektronenspins bis hin zu supraleitenden Schaltkreisen. Das physikalische System, auf dem die Hardware basiert, wird oft als Hardware-Plattform oder auch als Modalität bezeichnet.
Um bei künftigen (leistungsfähigeren) Quantencomputern verlässliche Rechenergebnisse zu gewährleisten, bedarf es Verfahren zur Fehlerkorrektur. Um diese zu implementieren werden logische Qubits verwendet, das heißt, Fehlerkorrekturverfahren setzen eine sehr große Zahl physikalischer Qubits voraus. Um Fehler korrigieren zu können, müssen diese zunächst erkannt werden. Die Fehlererkennung ist jedoch nicht trivial, da entsprechende Messungen zwar Informationen über eventuell aufgetretene Fehler liefern sollen, aber die kodierte logische Information nicht stören dürfen. Fehlerkorrekturverfahren sind notwendig, da die für das Quantencomputing genutzten Überlagerungszustände von Qubits extrem empfindlich sind (siehe auch Dekohärenz) und Quantenrechnungen daher deutlich fehleranfälliger sind als Berechnungen auf klassischen Computern.
Wie klassische Gatter verarbeiten auch Quantengatter Information und sind sozusagen die letzte Instanz, mit der ein Algorithmus auf der Hardware umgesetzt wird. Ein wichtiges Beispiel für ein Quantengatter ist das Hadamard-Gatter, das die Binärwerte 0 und 1 jeweils in eine Superposition von 0 und 1 überführt. Im Gegensatz zu klassischen Gattern sind Quantengatter jedoch keine physischen Komponenten, die sich auf dem Prozessor befinden. Während ein klassischer Prozessor aus Gattern besteht, besteht der Quantenprozessor aus Qubits (Qubits können z. B. mit einzelnen Atomen realisiert werden; der Prozessor ist dann eine regelmäßige Anordnung einzelner Atome). Die Quantengatter sind physikalische Operationen, die den Zustand der Qubits auf dem Prozessor deterministisch beeinflussen (zum Beispiel ein zeitlich begrenzter Laserpuls, mit dem ein Atom angeregt wird).
Als Quantenschaltung wird eine Sequenz von Quantengattern bezeichnet, die eine Quantenberechnung auf in Qubits gespeicherten Daten beschreibt, analog zur logischen Schaltung in der klassischen Informatik, die eine Berechnung auf in Bits gespeicherten Daten als Reihenfolge logischer Gatter beschreibt.
Quantenbits sind die elementaren Informationsträger in einem Quantencomputer. Das Quantenbit, kurz Qubit, ist somit das quantenphysikalische Analogon zum klassischen Bit, dem elementaren Informationsträger in der klassischen Informationstechnologie. Das Bit ist die kleinste Speicher- und Recheneinheit von herkömmlichen Computern. Diese arbeiten mit dem Binärsystem, das heißt Information wird in Abfolgen von Nullen und Einsen kodiert. Im klassischen Computer bedeutet zum Beispiel „Strom an” eine 1 und „Strom aus” eine 0. Betrachten wir ein Quantensystem, das klassisch betrachtet genau zwei unterschiedliche Zustände annehmen kann (z.B. angeregter und nicht-angeregter Zustand eines Elektrons im Atom), dann kann damit ein Qubit realisiert werden. Ein Qubit ist die Superposition von genau zwei komplementären Zuständen. Im Gegensatz zum klassischen Bit, bei dem ich entweder den Zustand null oder eins habe, sind die Zustände null und eins bei einem Qubit simultan realisiert.
Von einem physikalischen Qubit ist die Rede, wenn das physikalische System gemeint ist, mit dem das Qubit realisiert wird. Das kann zum Beispiel ein einzelnes Atom, ein einzelner supraleitender Schaltkreis oder ein einzelnes Lichtteilchen (Photon) sein. Diese unterschiedlichen physikalischen Systeme, die die Qubits bilden und aus denen somit die Hardware des Quantencomputers aufgebaut wird, werden auch als Quantencomputing-Plattformen bezeichnet.
Werden mehrere physikalische Qubits zu einer Speicher- und Recheneinheit zusammengeschaltet, spricht man von einem logischen Qubit. Genauer gesagt wird die Information des logischen Qubits in einem gemeinsamen verschränkten Zustand der physikalischen Qubits kodiert. Die Information wird also nicht lokal, sondern delokal gespeichert und ist damit vor Fehlern geschützt, die lokal an einem der physikalischen Qubits auftreten. Der Zustand des logischen Qubits kann nach Auftreten eines solchen lokalen Fehlers wiederhergestellt werden. Das Konzept des logischen Qubits wird für die Quantenfehlerkorrektur benötigt.
Die Skalierbarkeit eines Quantencomputers bezeichnet die Möglichkeit, die Anzahl der Qubits auf dem Prozessor auf eine große Zahl zu erweitern. Eine Hardware-Plattform ist also skalierbar, wenn die physikalischen und technischen Voraussetzungen dafür gegeben sind, viele Qubits miteinander zu verbinden. Für viele praktische Anwendungen müssen zukünftige Quantenprozessoren auf Tausende oder Millionen von Qubits skaliert werden, was eine enorme Herausforderung darstellt.
Ein Quantenobjekt kann sich gleichzeitig in komplementären Zuständen befinden, also in Zuständen, die sich nach klassischem Verständnis gegenseitig ausschließen. Man bezeichnet das als „Überlagerung" von Zuständen bzw. als Superposition. Ein Elektron kann sich zum Beispiel gleichzeitig an unterschiedlichen Orten aufhalten. Man könnte es aber auch anders formulieren und sagen, dass das Elektron einfach nicht die Eigenschaft besitzt, an einem bestimmten Ort zu sein. Während also in der klassischen Physik ein Objekt stets in einem konkreten Zustand vorliegt und konkrete Eigenschaften besitzt, erlaubt die Quantenphysik diese Überlagerungszustände. Wichtig ist, dass diese Überlagerung eine physikalische Eigenschaft des Quants beschreibt und nichts mit Unkenntnis des Beobachters zu tun hat.
Wenn zwei Quantenteilchen, z. B. zwei Elektronen, miteinander verschränkt sind, dann können diese beiden Teilchen nicht mehr als getrennte Teilchen betrachtet werden. Sie verhalten sich wie eine geschlossene Einheit, auch wenn sie (unendlich) weit voneinander entfernt sind. Die Verschränkung führt dazu, dass eine Aktion an einem der beiden Teilchen, den Zustand des anderen Teilchens augenblicklich beeinflussen kann. Augenblicklich bedeutet, dass kein Informationstransfer stattfindet. Man darf sich also nicht vorstellen, dass Information durch Raum und Zeit von einem Teilchen zum anderen übertragen wird. Es gibt keine klassische Wechselwirkung zwischen den verschränkten Teilchen, und dennoch wirkt sich eine Einwirkung auf das eine Teilchen auf seinen verschränkten Partner aus. Die Verschränkung ist nicht auf zwei Parteien beschränkt, es können auch mehrere Teilchen verschränkt werden.