Dieses Phänomen ist als Superposition bekannt und kann mit den Gesetzen der klassischen Physik nicht erklärt werden. Superposition ist eine rein quantenmechanische Eigenschaft. Auf ihr fußt das enorme Rechenleistungspotenzial von Quantencomputern.
Supraleitende Qubits
Wie sich Qubits technisch umsetzen lassen, ist Gegenstand aktueller Forschung. Ein vielversprechender Ansatz sind supraleitende Qubits. Sie basieren auf elektrischen Schwingkreisen, die aufgrund der verlustfreien Supraleitung elektromagnetische Felder mit sehr langer Halbwertszeit speichern können. Ein Schwingkreis wird so konstruiert, dass effektiv ein kontrollierbares Zweizustandssystem entsteht. Die Resonanzfrequenz eines solchen Schwingkreises liegt typischerweise im Mikrowellenbereich bei etwa 5 GHz. Der Grundzustand des Schwingkreises wird als Rechenzustand null definiert, der erste angeregte Zustand als Rechenzustand eins.
Ohne weitere konstruktive Maßnahmen lassen sich diese beiden Zustände aber noch nicht gezielt ansteuern. Bei einem harmonischen Oszillator, beispielsweise einem LC-Schwingkreis, ist der Abstand zwischen benachbarten Energiezuständen immer gleich groß (Harmonizität). Eine unerwünschte Folge ist, dass sich nicht kontrollieren lässt, ob ein resonantes Mikrowellensignal den Schaltkreis vom Grundzustand in den ersten angeregten Zustand versetzt oder von einem beliebigen angeregten in den nächsthöheren. Nichtlineare Induktivitäten können die Harmonizität aufheben.
Um zwei bestimmte Energiezustände als kontrollierbares Qubit zu verwenden, arbeitet man in der Praxis mit sogenannten Josephson-Kontakten. Sie verleihen dem Übergang vom Grundzustand in den ersten angeregten Zustand eine charakteristische Frequenz, mit der exklusiv nur dieser Übergang adressiert werden kann. Weil diese Eigenschaft die von energetischen Atomübergängen nachahmt, werden supraleitende Qubits auch künstliche Atome genannt.
Ein Quantenzustand ist extrem fragil. Entsprechend liegt die Betriebstemperatur eines supraleitenden Qubits bei etwa 10 Millikelvin. Das entspricht rund minus 273 Grad Celsius und liegt nahe am absoluten Temperaturnullpunkt. Nur so bleibt das thermische Hintergrundrauschen niedrig genug, um den Quantenzustand nicht unkontrolliert zu stimulieren.