Qubits, Quantengatter und Quantenschaltkreise – aus der Informatikperspektive

Zusammenfassung

Quantencomputer verwenden das abstrakte Konzept eines Qubits als logische Einheit zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen. Die Verarbeitung erfolgt mithilfe von Quantengattern, von denen hier vier vorgestellt werden: das Pauli‑X‑Gatter, das Identitätsgatter, das Hadamard‑Gatter und das CNOT‑Gatter. Qubits und Gatter werden dabei mithilfe von Vektoren (einschließlich der Bra‑Ket‑Notation) beziehungsweise Matrizen beschrieben. Sie werden sowohl durch visuelle Programmierung als auch mit der IBM‑Software Qiskit implementiert. Zu diesem Zweck werden die grundlegenden Konzepte der visuellen Programmierung sowie der Bibliothek Qiskit eingeführt.

Diese dreiteilige Unterrichtseinheit führt Schüler*innen der Sekundarstufe in die grundlegenden Konzepte des Quantencomputings ein. Das Material umfasst erklärende Texte, Übungen und Qiskit‑Aktivitäten sowie eine abschließende Sammlung von 12 aufeinander aufbauenden Aufgaben und zusätzliches, schülergerechtes Informationsmaterial, auf das separat zugegriffen werden kann.

Benötigte Materialien

• Computer/Tablets und Internetzugang

Teil 1: Qubits und ihre Darstellungsweisen

In diesem Abschnitt setzen sich die Schülerinnen und Schüler zunächst mit dem Informationsbegriff in der Informatik auseinander und arbeiten schrittweise heraus, was Quanteninformation von klassischer Information unterscheidet. Anhand einfacher Rechercheaufgaben wird zunächst wiederholt, wie klassische Computer Informationen darstellen und verarbeiten, bevor anschließend in das Konzept des Qubits eingeführt wird. 

Für Lehrkräfte enthält der Abschnitt anschauliche Erklärungen und Beispiele, wie Qubits sowohl in der Bra‑Ket‑Notation als auch als Vektoren beschrieben werden können. Damit erwerben die Lernenden wichtige mathematische Grundlagen, auf die im weiteren Verlauf aufgebaut wird. Insgesamt dient dieser Teil als Einstieg und schafft die Basis für die Beschäftigung mit Quantengattern und Quantenschaltungen.

Teil 2 Quantengatter und Quantenschaltkreise

Im zweiten Teil beginnen die Schüler*innen mit kurzen Rechercheaufträgen zu klassischen Logikgattern wie AND, OR, XOR und NOT. Dadurch wird an vorhandenes Wissen angeknüpft und eine Grundlage geschaffen, um die Zusammenhänge zwischen klassischer Logik und Quantenlogik besser zu verstehen. 

Anschließend werden Quantengatter und Quantenschaltungen eingeführt. Dabei geht es insbesondere darum zu verstehen, wozu diese dienen und wie sie den Zustand eines Qubits gezielt verändern. 

Als zentrale Beispiele werden das Pauli‑X‑Gatter (entsprechend dem klassischen NOT‑Gatter), das Identitätsgatter sowie das Hadamard‑Gatter behandelt. Darüber hinaus enthält der Abschnitt eine praktische Einführung in die Arbeit mit IBM Qiskit, mit der einfache Quantenschaltungen umgesetzt werden können. Je nach Unterrichtssituation kann die Lehrkraft den Schwerpunkt entweder stärker auf das inhaltliche Verständnis oder auf praktische Programmieraufgaben legen.

Teil 3 Das CNOT-Gatter und Verschränkung

Im dritten Teil lernen die Schüler*innen mit dem CNOT‑Gatter erstmals ein Quantengatter kennen, das auf zwei Qubits wirkt. 

Dabei wird gezeigt, wie dieses Gatter funktioniert und wie es sich in die zuvor erarbeiteten Konzepte einfügt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Erzeugung von Verschränkung: Durch die Kombination eines Hadamard‑Gatters mit einem anschließenden CNOT‑Gatter können die Lernenden nachvollziehen, wie Quantenschaltungen echte quantenmechanische Zustände erzeugen. 

Abschließend enthält dieser Teil 12 zusammenhängende Aufgaben, in denen Inhalte aus allen drei Abschnitten aufgegriffen und vertieft werden. Ergänzend stehen den Schülerinnen und Schülern separate, verständlich aufbereitete Informationsmaterialien (z. B. zu Definitionen, Darstellungen und Erklärungen) sowie eine eigenständig nutzbare Aufgabensammlung zur Verfügung.