Q16 Quanten und Qubits - Was man so liest

Von Bernhard Thomas und Ulrich Trottenberg

Quanten-Computing wird in den Medien, aber auch in Vorträgen und in der Fachliteratur mit einer Reihe von Aussagen charakterisiert, die als Sprachkonstrukte ziemlich exotisch klingen - nach einer anderen Welt, in der logisch Unmögliches möglich scheint. Wir wollen uns einige dieser Sprachfiguren ansehen und überlegen, was dahinter steckt.

Unsere bisherigen Blog-Abschnitte über Qubit-Algorithmen sollten ausreichen, hier ein klares Verständnis zu schaffen. Hier die Übersicht über die Aussagen.

"Quanten können 0 und 1 gleichzeitig sein"

"Mit n Qubits kann man 2**n Zahlen gleichzeitig darstellen"

"Für N Zahlen benötigt ein Quanten-Computer nur log(N) Qubits"

"Ein Quanten-Computer kann mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen (Quanten-Parallelismus)"

"Was auf herkömmlichen Rechner Jahre dauert, kann ein Quanten-Rechner in Sekunden erledigen (Exponentielle Beschleunigung)"

"Quanten-Rechner werden herkömmlichen Rechnern überlegen sein (Quanten-Supremacy)"

"Jedes zusätzlich Qubit verdoppelt die Leistungsfähigkeit des Systems"

 

"Quanten können 0 und 1 gleichzeitig sein"

Dieser Satz und Abwandlungen davon ziehen sich durch die Quanten-Computing-Literatur wie ein Mantra des QC. Auch wenn er gelegentlich nur als Metapher gesehen wird, suggeriert dieser Satz in der öffentlichen Diskussion eine mystische Eigenschaft der Quanten, nicht zuletzt illustriert durch das Bild von Schrödingers Katze, die "gleichzeitig tot und lebendig" ist.

Damit werden auch die informatischen Gegenstücke der Bits, die Qubits, charakterisiert. Im Gegensatz zu Bits, die nur "0 oder 1" sein können, können Qubits "0 und 1 gleichzeitig" sein.

Wie könnten wir das feststellen? Wir wissen, dass die Messung eines Qubits entweder 0 oder 1 ergeben kann, aber nicht beides. Wenn wir mehrfach messen, bekommen wir manchmal eine 0, manchmal eine 1 als Ergebnis, aber nie "gleichzeitig". Was kann also gemeint sein - wenn es überhaupt einen Sinn ergibt.

Es gibt Varianten dieser "Gleichzeitig"-Sprachfigur, die etwas tiefergehend klingen: "Quanten können verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen". Wir wissen, dass man Zustände von Systemen in Form von mathematisch eindeutigen Ausdrücken beschreiben kann - so auch Qubits und Qubit-Systeme. Ausgehend von einem Anfangszustand sahen wir, wie mittels Qubit-Operationen (oder Gates) ein Qubit-Zustand in einen nächsten überführt werden kann. Zu jedem Zeitpunkt ist der Zustand des Qubits daher eindeutig festgelegt. Wenn wir nicht unsere normale zweiwertige Logik (2 Wahrheitswerte: wahr, falsch - oder 0, 1) in Frage stellen, kann ein Qubit nicht zwei verschiedene Zustände gleichzeitig haben. Eine Zahl, ein mathematischer Ausdruck, der einben Zustand beschreibt, kann nicht gleichzeitig 0 und 1 sein: z = 0 = 1?

Manchmal findet man Texte, in denen das "Gleichzeitige" durch die "Superpostion" ergänzt wird: "Quanten können in einer Superosition von 0 und 1 gleichzeitig sein". Wir wissen, was eine Superpostion ist. Z.B. ist 1/√2 (|0>+|1>), die Hadamard-Operation auf den Basiszustand |0>, eine Superpostion (oder mathematisch: Linearkombination) der Qubit-Zustände |0> und |1>. Wir haben Qubit-Zustände meist in Form von x-y-Koordinaten eines Punktes auf dem Einheitskreis beschrieben - im Beispiel also (1/√2,1/√2). Somit können wir korrekt formulieren: Ein Qubitzustand hat zwei Koordinaten. Aber was heißt dann "gleichzeitig"? Wenn jemand in Ingolstadt ist, befindet er sich z.B. auf der Strecke von München nach Nürnberg - aber ist er (möglicherweise) in München und Nürnberg "gleichzeitig"?

Wenn auch die Redewendung "... kann 0 und 1 gleichzeitig sein" etwas Unsinniges suggeriert, können wir sie als solche akzeptieren, wenn man sie auf die Möglichkeit einer Superposition von zwei (Basis-)Zuständen eines Qubits zurückführt. Darin unterscheiden sich Qubits und Bits tatsächlich.

Und während ein Bit nur einen der beiden Zustände 0 oder 1 repräsentieren kann (siehe BIT-Box in Q3), kann ein Qubit einen Zustand aus einer unendlichen Menge von Superpositionszuständen annehmen. Wobei wir das "unendlich" im Sinne aller Punkte auf dem Einheitskreis verstehen, ohne zu fragen, ob wirklich unendlich viele Superpositionen realisierbar sind (technisch und quantenmechanisch).

Eine elegante und gleichzeitig korrekte, einfache Erklärung finden wir im Glossar der IBM (Übersetzung DeepL):

Ein Qubit (ausgesprochen "kju-bit" und kurz für Quantenbit) ist der physikalische Träger der Quanteninformation. Es ist die Quantenversion eines Bits, und sein Quantenzustand kann Werte von |0> , |1> oder die Linearkombination von beiden annehmen, was ein Phänomen ist, das als Superposition bekannt ist.

Mehr ist eigentlich nicht zu sagen.

"Mit n Qubits kann man 2**n Zahlen gleichzeitig darstellen"

Mit n Bits kann man zwar auch 2**n verschiedene Zahlen darstellen - gemeint sind Binärzahlen in Form von Bitketten - aber immer nur eine zu einem Zeitpunkt, z.B. im Speicher eines klassischen Computers.

Diese Aussage zusammen mit dem "Quantenparallelismus" (s.u.) soll die überragende Leistungsfähigkeit von Quanten-Computern deutlich machen. Man liest auch: "Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Kapazität" und "Schon 300 Qubits können mehr Werte speichern, als das bekannte Universum Teilchen enthält".

Nun ja, wie soll man das verstehen? Zunächst zu den beiden letzten Versionen des "Kapazitätssatzes": Auch mit jedem weiteren Bit verdoppeln sich die möglichen Werte, die man speichern - und wieder lesen - kann. Immer einer zu einer Zeit (Schreib-Lese-Zyklus). Und mit 300 Bits kann man mehr als alle Teilchen des bekannten Universums abzählen, oder je eine Zahl zu einem Zeitpunkt im Bereich 0 bis 2**300-1 speichern. Bei Qubits liegt das Geheimnis offenbar wieder im "gleichzeitig". Wieder nur eine Metapher?

Ein System von n Qubits, z.B. n=3, befindet sich zu einem Zeitpunkt in einem Zustand (von prinzipiell unendlich vielen), der eine Linearkombination (Superposition) von nunmehr 2**n Basiszuständen ist, also 8 bei n=3. In der ket-Schreibweise tritt jede n-lange Bitkette als ein Basiszustand auf, bei n=3 also |000>, |001>, |010>, |011>, |100>, |101>, |110>, |111>. Bei n = 300 sind es halt ......

Denken wir an Koordinatensysteme, wie z.B. in Q11, dann haben wir ein 8-dimensionales Koordinatensystem und jeder 3-Qubit-Zustand  wird durch 8 Koordinaten beschrieben. "Gleichzeitig" - für einen Punkt braucht man 8 Koordinaten "gleichzeitig".

Kann man in einer Superposition von 2**n Basiszuständen das gleichzeitige Speichern von 2**n Zahlen sehen? Nehmen wir eine gleichmäßige (uniforme) Superposition, d.h. alle Basiszustände kommen mit dem gleichen Koeffizienten vor. Bei n=3 also mit 1/√8.

Speichern nützt nur dann etwas, wenn man  mit dem Gespeicherten etwas anfangen kann, z.B. weiter verarbeiten mittels Qubit-Operationen oder Lesen, d.h. Messen. Beim Weiterverabeiten zu einem neuen Zustand können tatsächlich alle Komponenten der Linearkombination in einer Operation berücksichtigt werden (Quantenparallelismus, s.u.). Beim Messen (gegen die Basiszustände) erhält man eine Häufigkeitsverteilung über alle Bitketten, die als Basiszustände in der aktuellen Superposition vertreten sind. Sind einige nicht vertreten, tauschen sie, bis auf Quantenfehler, auch nicht im Messergebnis auf.

Aber was machen wir damit? Welche Information ziehen wir daraus? Dass 2**n Bitketten beim Messen auftreten können, wussten wir schon vorher. Wir "lesen" also nichts Neues. Wenn wir 2**300 Teilchen mit unterschiedlichen Bitketten versehen wollten, konnten wir das auch schon ohne Quanten-Computer (QC).

Wo liegt also die Information, die wir durch die Quanten-Berechnung gewonnen haben? Wohl in der gemessenen Häufigkeitsverteilung:

  1. Wir schauen nur auf "vorhanden" und "nicht vorhanden" von gemessenen Bitketten. Eine häufige Form der Interpretation von QC-Ergebnissen, z.B. beim Herausfinden eines Orakels, wie im Bernstein-Vazirani Problem oder dem von Deutsch-Josza. Man kann sich das so vorstellen: Der Qubit-Algorithmus "rechnet" mit den 2**n Basiszuständen des n-Qubit Systems, der Ergebnis-Zustand enthält aber in nur einen Basiszustand, der dann bei der Messung eine ziemlich eindeutige Bitkette liefert. Eine solche Methode ist auch die sogenannte Amplituden-Verstärkung (amplitude amplification). Zum Auffinden einer bestimmten Bitkette beginnt man mit einer uniformen Superposition und verändert diesen Zustand Schritt für Schritt so, dass die Amplitude des Basiszustands mit der gesuchten Bitkette zunehmend "größer" wird. Die Iteration wird beendet, wenn man nahe genug an der gesuchten Bitkette ist, d.h. wenn beim Messen diese Bitkette eine überragende Wahrscheinlichkeit erreicht. Das Verfahren wird auch Grover-Iteration genannt.
  2.  Uns interessiert ein "numerisches" Ergebnis, z.B. eine Zahl oder eine Reihe von Zahlen (Vektor), die sich bei der Messung am Ende der Rechnung als Häufigkeiten bestimmter Bitketten ergeben. Als "numerisches" Ergebnis nimmt man dann die Liste dieser Häufigkeiten. Hier stoßen wir aber auf verschiedene Probleme. Eines davon ist, dass ein echter QC die Häufigkeiten nicht exakt misst. Um halbwegs brauchbare Werte abzuleiten, müssen wir das QC Programm wiederholt durchlaufen lassen. Wie oft? Für n=3 kann man das ja einmal ausprobieren mit dem IBM QC. Wie oft bei n=50 oder n=300?

"Für N Zahlen benötigt ein Quanten-Computer nur log(N) Qubits"

Dies ist eine Variante der vorigen Aussage und besagt: "Während man auf herkömmlichen Computern für N Zahlen auch N Speicherplätze benötigt, braucht ein Quanten-Computer nur log(N) Qubits". Man hat also, umgekehrt gesehen, einen exponentiellen Effekt. Und damit ist ein Quanten-Computer exponentiell leistungsfähiger als ein herkömmlicher. Wie auch immer das gemeint ist, es läuft darauf hinaus, dass man eine Überlagerung der N Basiszustände eines "log(N) großen"  Qubit-Systems herstellt, bei der die Koeffizienten (auch Amplituden genannt) gerade die gewünschten N Zahlen sind. Wenn man also weiß, wie, kann man einen solchen Superpositionszustand als "Input" herstellen, und einen Qubit-Algorithmus damit weiterrechnen lassen. Das ist das sog. Amplituden-Verfahren oder auch Amplituden Encoding.

Aber halt! Die N Amplituden müssen ja in der Summe der Quadrate 1 ergeben. Schränkt das nicht die freie Wählbarkeit der N Zahlen ein? Nicht wirklich - man muss nur vorher jede Zahl durch die Summe aller Quadrate teilen, genauer, durch die Quadratwurzel dieser Summe. Damit kann man dann "Quanten-Rechnen". Allerdings tritt bei der Ergebnis-Festellung wieder das Problem aus 2. auf.

Um die N Zahlen als Input verwenden zu können, muss man zu Beginn des Qubit-Algorithmus geeignete Qubit-Operationen (Gates) ausführen, so dass sie in einer Superposition zu Koeffizienten von Basiszuständen werden. Das kann trotz "Quantenparallelität" aufwendig sein. Hier ein Beispiel:

Angenommen, wir wollen die 4 Zahlen 1.0, 1.0, √2 = 1.414, 2.0 als Input in Form von Amplituden für ein 2-Qubit-System bereitstellen (N=4, n=2). Die Summe der Quandrate ist 1.0+1.0+2.0+4.0 = 8.0.  Die Wurzel daraus ist √8. Dadurch müssen wir die 4 Zahlen teilen, damit diese eine gültige 2-Qubit Superposition ermöglichen: 1/√8, 1/√8, 1/√4, 1/√2. Es ist damit z.B. der Zustand 1/√8 |00> + 1/√8 |01> + 1/√4 |10> + 1/√2 |11> durch einen Qubit-Circuit herstellbar. Wie geht das? Hier ist eine Lösung:

Codieren der 4 Zahlen mittels 2 Qubits
Amplituden der Superposition: 0.354, 0.354, 0.5, 0.707
Messergebnisse: Häufigkeiten1/8, 1/8, 1/4, 1/2 (idealisiert)

Das "Fine-Tuning" der Amplituden erfolgt hier mittels Drehungen (Ry). Der resultierende Zustand ist verschränkt, d.h. er kann nicht als Kombination der einzelnen Qubits hergestellt werden. Das kann man nach der Methode in Q9 nachprüfen. (Ergebnis eines Simulatorlaufs mit 1024 shots.)

"Ein Quanten-Computer kann mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführen"

Diese Aussage wird häufig als Verdeutlichung des sog. Quanten-Parallelismus verwendet. Auch hier wird wieder das Mantra-Wort "gleichzeitig" verwendet, dieses Mal aber in einer sinnvollen Bedeutung, nämlich im Gegensatz zu "nacheinander" (sequentiell). Natürlich können auch herkömmliche Computer heutzutage mehrere Berechnungen zeitlich parallel ausführen. Der Unterschied ist aber technisch fundamental: Herkömmliche Parallelrechner (z.B. MIMD-Architekturen) führen mehrere, durchaus auch verschiedene, Computerbefehle (Instructions) zur gleichen Zeit aus und verwenden dabei u.U. unterschiedliche Daten als Input.

Quanten-Computer führen zu einem Zeitpunkt einen Befehl (in Form von Gates) auf einer Datenstruktur aus. Die Datenstruktur ist der aktuelle Zustand eines n-Qubit-Systems, also meist eine Superposition oder gar eine Verschränkung. Der Zustand eines n-Qubit-Systems kann aber, wie wir zuvor gesehen haben, bis zu N=2**n Zahlen (in Form von Amplituden) repräsentieren. Indem der Qubit-Befehl auf den Zustand wirkt, wirkt er simultan auf alle Basiszustände, die in der Superposition vorkommen. Als Ergebnis können sich damit simultan alle Amplituden der Basiszustände verändern. Bingo!

Mathematisch gesehen ist das überhaupt nichts Ungewöhnliches. Eine Matrix A "wirkt" bei Multiplikation mit einem Vektor x auf alle seine Komponenten "gleichzeitig": y= Ax (Lineare Algebra). Wird ein Punkt (x,y) mittels einer Funktion F verschoben, dann werden alle Koordinaten "gleichzeitig" verschoben: (u,v) = F(x.y). Und auch die Qubit-Operatoren (Gates) können mathematisch als Matrizen dargestellt und verwendet werden. Wenn es allerdings ans praktische Rechnen geht, etwa mit einem Algorithmus, der die Matrixmultiplikation explizit durchführt, dann geht es klassisch (auf einem herkömmlichen Rechner) wieder nur Schritt für Schritt: die Operation wird in viele Einzelschritte zerlegt, die nacheinander ausgeführt werden. Hier unterscheiden sich klassische und Quanten-Computer tatsächlich fundamental. Quanten-Computer, wie die von IBM, sind technisch so aufgebaut, dass sie eine komplette Superposition in einem, statt in vielen Schritten verarbeiten können.

Wie man sich das vorstellen kann, zeigen wir an einem einfachen Beispiel: Das exklusive Oder (XOR) von zwei Bits entspricht der einfachen Bit-Addition bis auf die Operation "1+1", die 0 ergibt  statt 2. (Dafür verwendet man auch das Symbol ⊕ statt +). Wir können die Bit-weise XOR-Berechnung auch als Qubit-Circuit durchführen. Das ergibt die 4 Auswertungen in der Abbildung, wobei jeweils q0 und q1 auf Zustand 0 bzw. 1 gesetzt werden und das Ergebnis den neuen Zustand von q1 ergibt.

Abb.: Vier Berechnungen von XOR als Qubit-Algorithmus

Quanten-Parallelismus ermöglicht aber Superpositionen statt einzelner Basiszustände als Input zu präparieren, typischerweise mit dem H-Gate (Hadamard-Gate). Damit muss die Berechnung nur einmal ausgeführt werden und wir erhalten alle 4 Ergebnisse auf einmal.

 

Abb.: XOR Berechnungen mit Quanten-Parallelismus

Um die Ergebnisse einfacher "lesen" zu können, haben wir hier das XOR Ergebnis  auf ein drittes Qubit q2 übertragen. So erhalten wir als Messergebnis genau die obige XOR Tabelle mit XOR -> q2 : 000, 101, 110, 011 (q2 steht hier wieder jeweils ganz links in der Bitkette).

 

"Was auf herkömmlichen Rechnern Jahre dauert, kann ein Quanten-Rechner in Sekunden erledigen"

Als Begründung liest man dabei oft, dass Quantenrechner "exponentiell schneller" rechnen können als herkommliche. Was bedeutet das?

Das heißt zum Beispiel folgendes: Wenn wenn wir zwei Methoden haben, die eine Aufgabe lösen, etwa eine Berechnung durchführen oder ein "Geheimnis" (Q15) zu finden, und die eine Methode benötigt N Zeiteinheiten oder Rechenschritte, die andere aber nur log(N) viele, dann stellt die zweite Methode eine exponentielle Verbesserung - oder Beschleunigung - gegenüber der ersten dar. (Denn, für k=log(N) ist  N=exp(k).)

Es gibt eine ganze Reihe von solchen "Beschleunigungsbeziehungen" zwischen Methoden zur Lösung gleicher Aufgaben. Der Grover Qubit-Algorithmus benötigt nur etwa √N Schritte gegenüber N Schritten bei der klassischen Methode. Hier haben wir also eine quadratische Beschleunigung. In Q15 hatten wir das am Beispiel des Bernstein-Vazirani-Algorithmus diskutiert.

Solche Beschleunigungen gibt es von je her auch im klassischen Computing als Effekt einer algorithmischen Verbesserung. So gibt es z.B. unterschiedliche Sortier-Algorithmen, die sich bezüglich ihres Rechenaufwands erheblich unterscheiden, oder auch Verfahren zur numerischen Simulation, bei denen sogenannte Mehrgitterverfahren große Beschleunigungsraten bringen.

Der tatsächliche Beschleunigungseffekt des Quanten-Computing gegenüber herkömmlichen Bit-Computing beruht auf einer Kombination von zwei Dingen: dem Quanten-Parallelismus der Hardware (s. voriger Abschnitt) und dem Algorithmus, der für Qubits konstruiert werden kann.

Ein Rechenbeispiel: Hätte man eine (hypothetische) Aufgabe, die auf einem gewöhnlichen Rechner mit dem schnellsten Algorithmus 10 Jahre dauern würde, dann würde eine exponentielle Beschleunigung auf einen Zeitaufwand von rund 20 Sekunden führen: log(10*360*24*60*60) = log(311040000) = 19,56. Diese Zahlen sind allerdings eher fiktiv, da wie keine konkrete Aufgabe vor Augen haben und Wiederholungen und anderen "Overhead" nicht berücksichtigen. Aber es zeigt, wie sich die Größenordnung ändern.

Hätten wir also eine Aufgabe, die herkömmlich Jahre dauern würde, und hätten wir dazu ein Quanten-Computer, der sie alternativ mit exponentieller Beschleunigung löst, könnten wir die Aussage so akzeptieren. Allerdings gibt es noch nicht viele Algorithmen für Quanten-Computer, die in dieser Form praktische verwendbar sind. Was nicht zuletzt auch an der Größe und "Sensibilität" heutiger QC liegt.

Ein relevantes Beispiel, das immer wieder als "Gefahr durch Quanten-Computer" zitiert wird, ist das Verfahren von Shor, mit dem man einen wichtigen Schritt beim "Knacken" von besten heutigen Verschlüsselungsverfahren in akzeptabler Zeit durchführen kann. Um das zu verstehen, braucht es aber schon mehr Einsicht in die zugrunde liegende Mathematik. Daher wird hier meist nur der (befürchtete) Effekt zitiert und auf Verständnis verzichtet.

"Quanten-Rechner werden herkömmlichen Rechnern überlegen sein"

Man spricht auch generell von Quanten-Überlegenheit (Quantum Supremacy). Trotz der beängstigent klingenden Bezeichnung handelt es sich hier um eine unspektakuläre Sache. Es bedeutet lediglich das Ereignis, dass es eine Berechnung gibt, die ein Quanten-Computer schneller als jeder herkömmliche Supercomputer durchführen kann. Dabei ist es erst einmal egal, ob diese Berechnung einen Sinn macht oder praktische Bedeutung hat. Wie man kürzlich lesen konnte, hat man (mit einem QC von Google) bereits eine solche Berechnung durchführen können, d.h. der Meilenstein Quantum Supremacy ist schon erreicht.

"Jedes zusätzlich Qubit verdoppelt die Leistungsfähigkeit des Systems"

Hier bleibt einerseits unklar, was mit Leistungsfähigkeit gemeint ist - Rechenleistung, Speicherleistung, Leistung eines Algorithmus, der ein Qubit mehr zur Verfügung hat? Auch wenn wir einen Bit-Speicher (Register) um ein Bit erweitern, also von n auf n+1 Bits, können wir damit 2**(n+1) = 2*2**n Werte speichern bzw. mehr oder längere Befehle ausführen. So hatte sich auch die Prozessorarchitektur von früheren 32 Bit auf 64 Bit bei herkömmlichen Computern verändert und dabei prinzipiell eine 32-fache Verdoppelung der Leistung ermöglicht.

Was macht nun ein Qubit mehr aus bei einem Quanten-Computer? Zum einen gibt es dann doppelt so viele Basiszustände. Z.B. von 8 bei einem 3-Qubit System auf 16 bei 4 Qubits. In Superposition können damit 16 statt nur 8 Koeffizienten (Amplituden) einen Zustand bestimmen. Diese Verdoppelung ist analog der Situation bei Bits und wir hatten das schon oben bei N vs log(N) erklärt.

Zum anderen wissen wir, dass - ganz ander als beim Bit-Computing - verschränkte Zustände eine wichtige Rolle im Qubit-Computing spielen. Man kann sich also fragen, was bringt ein zusätzliches Qubit für die möglichen Verschränkungen, oder allgemein für die möglichen "Konfigurationen" von Superpositionen. Anders ausgedrückt: wieviel mehr Möglichkeiten gibt es für Zustände, in denen nur ein Basiszustand vertreten ist, oder zwei, oder drei usw. - unabhängig von den Werten der Amplituden. Diese Zahl wächst offenbar kombinatorisch. Für n=2 sind die "Muster" noch überschaubar: 4 mal |x>, 6 mal |x>+|y>, 3 mal |x>+|y>+|z> und 1 mal |x>+|y>+|z>+|v>, wenn |x>,|y>,|z>,|v> die Basiszustände |00>, |01>,|10>,|11> durchlaufen.

In Q13 (Superdichte Codierung) haben wir einen anderen Verdopplungseffekt gesehen: die Kapazität, Bitketten in GHZ-verschränkten Qubits zu "speichern" bzw. zu übertragen. Hier brachte jedes weitere Qubit in einer solchen Verschränkung eine Verdoppelung der Anzahl übertragbarer Bitketten.

 

Zuletzt eine Anmerkung: Bei "Was man so liest" fragt man sich leicht, wo man das gelesen hat. Die konkreten Aussagen in den Überschriften sind keine echten Zitate, obwohl sie so oder in Variationen der Wortwahl tatsächlich vorkommen. Wir wollen hier aber kein "Bashing" anzetteln, sondern nur kostruktiv klären, was dahinter steckt oder wo man leicht fehlgeleitet wird. Daher verzichten wir auf Quellenangaben.

 


Q14 Quanten-Teleportation

Die geheimnisvolle Kunst des Teleportierens kennt man - je nach Alter - aus Raumschiff Enterprise ("Beam' mich hoch, Scotty!") oder als Zauber aus Harry Potter (Disapparieren und Apparieren). Hier wie da verschwindet etwas oder jemand und taucht an anderer Stelle wieder auf. Der "3D-Druck" tut im Effekt etwas Ähnliches, nur verschwindet das Original nicht, wenn eine Kopie des Objekts an anderer Stelle "erscheint". Lediglich die (geometrischen) Daten des Original-Objekts werden an die Empfangsstelle übertragen. Quanten-Teleportation ist beides - oder beides nicht: das Original-Qubit verschwindet und taucht an anderer Stelle als neues Qubit-Objekt auf. Dazwischen wird Information übertragen.

Etwas ernsthafter: Als Quanten-Teleportation bezeichnet man die Übertragung eines Qubit-Zustands mittels klassicher Bit-Information, um ein anderes Qubit in den Zustand des Originals zu versetzen. Dabei geht der Original-Zustand verloren. Und da Qubits keine "Individualität" haben, hat man vorher und nachher das gleiche Qubit, nur an einem anderen Ort. Teleportation eben.  Das funktioniert tatsächlich auch technisch und wurde schon über viele Kilometer hinweg realisiert wie ein Blick ins Wikipedia zeigt.

Die Quanten-Teleportation ist das Gegenstück zur Quanten-Kommunikation (s. Q13):  Die Quanten-Kommunikation übermittelt zwei Bit Information mittels eines Qubit-Zustands, die Quanten-Teleportation übermittelt einen Qubit-Zustand mittels zweier Bits. Und in beidem spielt die Verschränkung eine entscheidende Rolle.

Das Teleportationsverfahren schrittweise von der Ausgangssituation her zu entwicklen, wird leicht mühselig, auch für den Leser. Daher schlagen wir dieses Mal den umgekehrten Weg ein: Wir stellen den Algorithmus vor, experimentieren damit ein wenig und liefern die Erklärung weiter unten nach, als systematische Darstellung der Zustandsabfolge.

Teleportation - der Algorithmus

Der Ablauf ist schnell erzählt: Alice möchte Bob den Zustand ihres Qubit (q0) übermitteln. Bob erzeugt dazu ein Qubit-Paar (q1, q2) mit der üblichen Verschränkung (siehe Circuit 7) und schickt das eine davon (q1) an Alice. Das andere verbleibt bei Bob.  Alice wendet auf ihre beiden Qubits (q0, q1) zwei Gates an, ein CNOT von q0 zu q1 und danach ein H-Gate auf q0.Anschließend misst sie die Zustände der beiden Qubits. Die beiden Bits aus der Messung schickt sie auf dem klassichen Übertragungsweg an Bob. Der steuert damit ein X- und ein Z-Gate, die auf den Zustand seines Qubits (q2) wirken. Als Ergebnis erhält er q2 in dem Zustand, in dem q0 zuvor war. Wie man das nachprüft, sehen wir anschließend.

Im Composer sieht die Teleportation wie folgt aus:

Dieses Composer-Bild hat drei 1-Bit Linien, für jede Qubit-Messung eine. Bisher hatten wir die Messbits von Multi-Qubit-Systemen immer auf einer "Schiene". Der Vorteil hier ist, dass wir die Messbits unabhängig voneinander zur Steuerung einsetzen können, statt über die 3-Bit Binärzahl-Werte zu steuern. Man sieht das an den bedingten X- und Z-Gates.

Die Barrieren (gestrichelte Linien) dienen hier nur zur grafischen Gliederung: Links definiert Alice den Zustand von q0, der teleportiert werden soll. Hier (0,1). Im zweiten Abschnitt erzeugt Bob ein verschränktes Qubit-Paar, wovon er q1 an Alice schickt. Im mittleren Abschnitt wendet Alice auf ihre Qubits ein CNOT und ein Hadamard-Gate an und misst das Ergebnis. Das Ergebnis von q0 wird auf das Bit c1 übertragen, das von q1 auf d1. Alice sendet diese klassichen Bits an Bob. der wendet Bit-controlled Operationen (X, Z) auf sein Qubit an. Wenn der Zustand von q1 als 1 gemessen wird, wird das X-Gate auf q2 angewendet. Wird für q0 eine 1 gemessen, wird das Z-Gate angewendet. Sind beide Messbits 1, dann wirken beide Gates.  Abschließend wird q2 gemessen. Wenn alles gut gegangen ist, müsste q2 nun im Zustand (0,1) sein.

Wir starten  den Algorithmus und bekommen als Ergebnis z.B. 110 bei einem Durchlauf. Ok, für q2 wird eine 1 gemessen. Die Logik: Wenn q2 nach Teleportation im Zustand (0,1) ist, darf eine Messung keine 0 ergeben. Mit 1024 shots bekommen wir dieses Histogramm:

Alle Messergebnisse liefern eine 1 für q2. Interessant ist auch zu bemerken, dass q0 sowohl 1 als auch 0 liefert. D.h. q0 hat seinen ursprünglichen Zustand verloren, der nur das Messergebnis 1 hatte.

Wenn Alice q0 im Zustand (1,0) teleportieren will, entfällt das X-Gate am Anfang. Das Ergebnis-Histogramm zeigt, wie zu erwarten, dann nur 3-Bit-Ketten, die links eine 0 haben. Klar!

Damit haben wir die Basiszustände teleportiert.

Teleportation allgemeiner Qubit-Zustände

Wenn wir einen beliebigen Qubit-Zustand als Superposition der Basiszustände (1,0) und (0.1) teleportieren wollen, können wir eigentlich davon ausgehen, dass, wenn diese korrekt teleportiert werden, auch ihre Kombination korrekt in q2 übertragen wird. Wir probieren das gleich mal aus.

Dabei machen wir uns die Darstellung des Messergebnisses von q2 etwas einfacher, indem wir nach der Teleportation q0 und q1 in den Standard-Anfangszustand versetzen und erneut messen. Etwas so:

Wir setzen statt X das Rotationsgate Ry mit dem Drehwinkel 30° an den Anfang von q0. Eine direkte Messung des Qubits in diesem Zustand ergibt, idealisiert, zu 75% Bit 0 und zu 25% Bit 1. Wir wollen sehen, ob nach Durchlauf des Circuits auch q2 diese Eregbnis liefert.

Mit der "Neutralisierung" von q0 und q1 am Ende des Circuits bekommen wir ein Histogram mit zwei Säulen, die sich nur im Messwert für q2 unterscheiden.

Und wir finden tatsächlich insgesamt etwa 75% der Ergebnisse mit 0 und 25% mit 1 für das linke Bit. Also genau wie erwartet!

Qubit Zustände und Messergebnisse

Wir machen das gleiche mit dem Zustand 1/√2(|0>-|1>), der entsteht, wenn wir X --- H hintereinander auf |0> anwenden. Wie erwartet, ergibt die direkte Zustandsmessung von q0 das gleiche wie die Messung von q2 nach Durchlauf der Teleportation. Scheint also unsere Vermutung zu bestätigen. Scheint! Wir wollen aber nicht Messergebnisse teleportieren, sondern Qubit-Zustände. Können wir hier aus dem Ergebnis der q2-Messung schließen, dass tatsächlich der Zustand von q0 korrekt auf q2 übertragen wurde? Nein! Ein einfacher Versuch: mit dem Zustand H|0> =1/√2(|0>+|1>) (plus!) bekommen wir die gleichen Messergebnisse. Man kann also nicht sagen, ob die q2-Messung von dem ersten oder dem zweiten Teleportationsbeispiel stammt.

An dieser Stelle müssen wir uns noch einmal klarmachen, dass man zwar immer vom Zustand eines Qubit-Systems auf das Messergebnis schließen kann, aber aus einem Messergebnis nicht  eindeutig auf den Zustand zurück schließen kann. Man sagt, die übereinstimmenden Messergebnisse sind eine notwendige Bedingung für die korrekte Teleportation, aber keine hinreichende. Wie können wir hier eine Unterscheidung herbei führen und festellen, ob die Teleportation gelungen ist?

Zwei Möglichkeiten stehen uns zur Verfügung. Erstens, die Abfolge der Zustandsänderungen dieses 3-Qubit-Systems Schritt für Schritt mittels der Formeln nachzuvollziehen und am Ende den tatsächlichen Zustand von q2 mit q0 zu vergleichen. Das "üben" wir am Ende des Blogs.

Als zweite Möglichkeit nutzen wir die grundsätzliche Umkehrbarkeit von Qubit-Operationen. Wenn wir nach der Teleportation erst noch ein Gate auf q2 anwenden, das das H-Gate umkehrt, und die Teleportation korrekt funktioniert hat, müssten wir im ersten Fall (X --- H) immer 1 als das linke Messbit bekommen, im anderen Fall 0. Im Beispiel-Fall ist H selbst ein komplementäres Gate, das wir direkt hinter der letzten Barriere eingefügt haben. (Alternativ könnte man auch Ry(3π/2) verwenden. Mal ausprobieren!) Aus diesen Messergebnissen können wir dann schließen, dass wir in q2 den Zustad |1> bzw. |0> vorliegen haben, und damit der mit H veränderte Zustand korrekt übertragen wurde. Das Umkehr-Verfahren komplementiert also das Messverfahren bei der Bestimmung von Zuständen.

Tatsächlich bekommen wir hier zu 100% die 1 für q2.

Anm.: Natürlich können auch die Basiszustände mit einem Minuszeichen versehen sein, z.B. per 180° Drehung und dabei 0 bzw. 1 als Messergebnis liefern. Dieser Faktor -1 macht aber nichts aus, denn die  beiden Zustände im Beispiel unterscheiden sich ja schon über die Messergebnisse.

Teleportieren, Klonen, Kopieren, Übertragen

Warum das doch recht aufwändige Teleportieren, um ein "anderes" Qubit in den Zustand von q0 zu bringen? Kann man den Zustand nicht einfach kopieren wie bei "gewöhnlichen" Algorithmen? Beispiel: a = 5, b=a , dann haben wir zwei Variablen mit dem Wert 5 (wie auch immer dies in einer Programmiersprache umgesetzt wird).

Kopieren bedeutet eine Kopie herstellen, d.h. das Original bleibt erhalten, die Kopie ist etwas anderes als das Original. Klonen bedeutet, das Original noch einmal herstellen. Wenn wir den Zustand eines Qubits auf ein zweites Qubit kopieren wollten, würde wir es automatische klonen, denn es gibt nichts, was zwei Qubits voneinander unterscheiden könnte als der Zustand.

Nun gibt es in der Theorie der Qubits ein Theorem, das besagt, dass man Qubits nicht klonen kann, das sog. No-Cloning-Theorem (s. Wikipedia). Das ist nicht zu schwer zu beweisen, überschreitet aber den mathematischen Rahmen, in dem wir uns hier bewegen wollen. Wir müssen also akzeptieren, dass man nicht aus dem (beliebigen, unbekannten) Zustand eines Qubits ein zweites herstellen kann, ohne z.B. das Original zu zerstören. Natürlich kann man, wenn man den Zustand eines Qubits kennt und weiß, wie er "hergestellt" wurde, ein zweites Qubit mit Hilfe von Gates so präparieren, dass es den gleichen Zustand hat. Dazu muss man aber den Zustand des Originals explizit kennen!

Man kann aber den Zustand eines Qubits übertragen. Teleportation ist eine Methode. Eine ganz einfache Methode ist das Swap-Gate: es vertauscht die Zustände von zwei Qubits in einem Circuit. Man kann das so sehen, dass der Zustand von einem Qubit auf das andere übertragen wird und umgekehrt. In herkömmlichen Algorithmen sieht ein Variablen-Swap zwischen a und b so aus: s = a, a = b, b = s (nicht etwa: a=b, b=a !). Im Effekt haben wir aber nur die Qubit-Variablen getauscht.

Eine echte Übertragungsmethode ist eine Art lokale Version der Teleportation. Lokal deshalb, weil hierbei keine Übertragung im Sinne eines Transports zwischen entfernten Orten (Alice und Bob) stattfindet. Der Composer-Circuit dazu sieht so aus:

Das Ergebnis Histogramm entspricht dem ersten oben, d.h. q2 liefert nur 1, die beiden anderen - insbesondere q0 - jeweils 0 und 1.

Statt Bit-controlled Gates wie bei der Teleportation haben wir hier ein CNOT (auch cX genannt) und ein cZ. Damit "kürzen" wir den Umweg über die Messwerte ab. Statt zu messen, ob q0 bzw. q1 eine 1 oder 0 liefern, und danach die Gates X und Z für q2 zu steuern, nehmen wir gleich die Zustände von q0 und q1, um die Gates zu steuern. Man beachte, dass dabei stillschweigend unterstellt wird, das z.B. Zustand |1> und Messung 1 äquivalent sind.

Der Unterschied zwischen Teleportation und lokaler Übertragung liegt in der "Anwendung" der Algorithmen. Bei der Teleporation werden Qubits an unterschiedlichen Orten behandelt und die Zustandsübertragung mittels klassicher Bits - und damit klassischer Übertragungsmedien - durchgeführt. Alice kann damit den Zustand eines Qubits, das sich bei ihr befindet, auf ein Qubit von Bob übertragen. Dagegen ist die lokale Übertragung - eben lokal.

Das Zustandsprotokoll

Wenn wir den Teleportationsalgorithmus schon nicht entworfen haben, wollen wir ihn wenigstens verstehen. Dazu versuchen wir die Entwicklung der Zustände des 3-Qubit Systems Schritt für Schritt anhand eines Zustandsprotokolls nachzuvollziehen. Dazu konstruieren wir uns eine Tabelle, die im Wesentlichen die 8 Koordinaten  eines 3-Qubit als Spalten hat. Jede Zeile steht für einen Schritt im Algorithmus. Der jeweilige Schritt wird in der Zeile links symbolisch dargestellt. Rechts ist noch Platz für eventuelle Erläuterungen oder Hinweise. Die Zustandskoordinaten der Qubits q2, q1 und q0 werden mit (r,s), (u,v) bzw. (x,y) benannt. Wir wollen das erste Beispiel oben nachvollziehen, beginnen also mit dem X-Gate auf q0.

(r,s)⊗(u,v)⊗(x,y) rux ruy rvx rvy sux suy svx svy Koordinaten (q2,q1,q0)
Ket- / Messbits 000 001 010 011 100 101 110 111 Kets / Messwerte (f1, d1, c1)
Dezimal 0 1 2 3 4 5 6 7 Binär-Werte
q0: X(1,0)=(0,1) 1 q1, q2 sind (1,0)
q1: H(1,0) 1/√2 1/√2 Hadamard q1 ->1/√2(1,1)
CNOT q1->q2 1/√2 1/√2
CNOT q0->q1 1/√2 1/√2
q0: H 1/2 -1/2 1/2 -1/2 Hadamard q0 ->1/√2(1,-1)
Messung (und Transfer) 010 011 100 101 Häufigkeit ca 25%
q2: If d1==1 X 1/2 -1/2 1/2 -1/2 Bedingtes X-Gate
q2: If c1==1 Z 1/2 1/2 1/2 1/2 Bedingtes Z-Gate
Messung 100 101 110 111 q2 liefert immer 1

(Die leeren Felder stehen für 0, bzw. 0 Häufigkeit bei Messungszeilen.)

Wir haben damit am Ende nicht nur die konsistenten Messergebnisse, sondern auch den separierbaren 3-Qubit Zustand (0,1)⊗(1/√2,1/√2)⊗(1/√2,1/√2) mit q2 im Zustand (0,1). Auf ähnliche Weise kann man auch die Teleportation anderer q0-Zustände entwicklen.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns mit einem Orakel beschäftigen und einem Algorithmus, der exemplarisch für den Beschleunigungseffekt des "Quanten-Parallelismus" steht. Doch zunächst die Ergänzung der Begriffstabelle und eine Pause.

Hier geht's dann weiter - stay tuned!

Begriff englisch Begriff deutsch Bedeutung
Barrier Barriere Senkrechte, gestrichelte Linie in Composer-Circuit zur Abtrennung von Optimierungsbereichen. Hier nur als Strukturierung verwendet
Necessary condition Notwendige Bedinung In "wenn A, dann B":  B ist notwendig für A. Zwangsläufige Folge
Sufficient condition Hinreichende Bedingung In "wenn A, dann B": A ist hinreichend für B
Reversibility method Umkehr-Verfahren Methode, das Vorliegen eines Qubit-Zustands zu prüfen unter Verwendung der prinzipiellen Umkehrbarkeit von Qubit-Operationen
No-Cloning Theorem No-Cloning Theorem Generelles Prinzip, dass Qubits nicht geklont werden können
State protocol Zustandsprotokoll Schematische Darstellung der Zustandsabfolge eines Qubit-Algorithmus
Quantum parallelism Quanten-Parallelität Bei Superpositionen wirkt ein Gate auf alle Komponenten der Basis-Zustände "parallel"