CNOT-Gatter verschränken Qubits

Im Quantencomputer können CNOT-Gatter alle Interaktionen zwischen Qubits ermöglichen. Das funktioniert deshalb, weil nicht bekannt sein muss, welchen Zustand das erste Qubit hat. Wenn das erste kontrollierende Qubit selbst nur eine 30-Prozent-Chance hat, im Zustand 1 zu sein, dann wird das zweite Qubit auch nur mit einer 30-Prozent-Chance in sein Gegenteil verkehrt. Welchen Zustand das zweite Qubit am Ende hat, ist jetzt also vollkommen abhängig davon, was der tatsächliche Zustand des ersten Qubits war. Die Zustände der beiden Qubits werden dadurch verschränkt.

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Die Verschränkung ermöglicht es, zwei Qubits, die nicht nebeneinander liegen, über die Fernwirkung miteinander interagieren zu lassen; sie macht Quantenteleportation möglich. Dann ist es egal, ob es darum geht, die Information von einer Ecke des Computerchips zur anderen oder vom Computer auf dem Boden zu einem Satelliten im Orbit zu übertragen. Dazu muss aber zunächst ein verschränktes Qubit vom Computer auf der Erde zum Satelliten übertragen werden, ohne unterwegs verloren zu gehen, und die Übertragung von zwei herkömmlichen Bits wird auch benötigt.

Die Verschränkung kann aber auch wieder aufgelöst werden. Mit drei CNOT-Gattern in Reihe lässt sich ein sogenanntes SWAP-Gatter erzeugen, das alle Eigenschaften des ersten Qubits auf das zweite überträgt und umgekehrt. Auf diese Weise können mit einer Reihe von SWAP-Gattern die Inhalte von Qubits von einem Teil des Quantencomputers zum anderen übertragen werden, ohne dass alle beteiligten Qubits am Ende miteinander verschränkt sind.

Das Hadamard-Gatter kann Informationen verschwinden lassen

Die anderen beiden Gatter dienen ausschließlich dazu, den Zustand eines einzelnen Qubits zu verändern. Das erste ist das Hadamard-Gatter. Wenn es auf einen Qubit in einem reinen Zustand angewendet wird - also einem Qubit, das bei einer Messung immer 1 oder immer 0 als Ergebnis hätte -, hat man anschließend eine genau 50-prozentige Chance für jedes der beiden Ergebnisse. Es scheint, als würde das Hadamard-Gatter jede Information in dem Qubit auslöschen.

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Aber wenn das Hadamard-Gatter auf den so entstandenen Zustand noch mal angewendet wird, dann hat das Qubit anschließend wieder den gleichen Zustand wie vorher. Die Informationen waren nie gelöscht, sie waren nur nicht von außen zugänglich. Das zeigt, dass die Zustände, in denen Qubits rein zufällige Messergebnisse ergeben, sehr genau definierte Zustände sind. Das heißt aber auch, dass sich zwischen der ersten und der zweiten Anwendung des Hadamard-Gatters nichts am Zustand des Qubits verändern darf. Wenn sich doch etwas verändert hat, kann das mit dem Hadamard-Gatter aufgedeckt werden, selbst wenn die Änderung gut versteckt war.

Das letzte Gatter dient dazu, solche Änderungen gezielt vorzunehmen.

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