4.1.3 Die allgemeinsten Quantenoperationen
Was sind die allgemeinsten Operationen, die wir auf Quantenzustände mit Qubits anwenden können? Jede Operation, die die folgenden drei Eigenschaften aufweist:
-
1.
sie ist linear,
-
2.
sie bildet Quantenzustände auf Quantenzustände ab,
-
3.
sie ist invertierbar
ist eine gültige Quantenoperation!
Übungsaufgabe 4.4 (Toffoli).
Definiere die Toffoli-Operation auf drei Qubits durch
auf Basiszuständen ( ist dabei das Produkt der zwei Bits , und wurde in Gl. 3.21 definiert), und erweitere sie durch Linearität auf beliebige Drei-Qubit-Zustände. Zeige, dass alle Quantenzustände auf Quantenzustände abbildet, und dass invertierbar ist.
Bemerkung: invertiert das dritte Bit genau dann, wenn beide ersten Bits beide eins sind – es ist also eine “zweifach-kontrollierte”-NOT-Operation.
Lösung.
Sei ein beliebiger Drei-Qubit-Zustand. Das Ergebnis einer Toffoli-Operation ist dann Die zwei Basiszustände sind fett hervorgehoben. Bemerke, dass sich einzig die Amplituden von und vertauscht haben. Demnach gilt wenn , dass auch . Also bildet Quantenzustände auf Quantenzustände ab.4.4 zeigt, dass die Toffoli-Operation eine gültige Quantenoperation auf drei Qubit ist. Interessanterweise ist es tatsächlich möglich als eine Reihe von Ein- und Zwei-Qubit-Operationen zu schreiben. Tatsächlich ist das für jede Quantenoperation auf Qubits möglich – aber das werden wir nicht in diesem Kurs lernen, da man viel Erfahrung mit Quantenoperationen braucht, um zu verstehen, wie das funktioniert!