4.1.3 Die allgemeinsten Quantenoperationen

Was sind die allgemeinsten Operationen, die wir auf Quantenzustände mit nn Qubits anwenden können? Jede Operation, die die folgenden drei Eigenschaften aufweist:

  1. 1.

    sie ist linear,

  2. 2.

    sie bildet Quantenzustände auf Quantenzustände ab,

  3. 3.

    sie ist invertierbar

ist eine gültige Quantenoperation!

Übungsaufgabe 4.4 (Toffoli).

Definiere die Toffoli-Operation auf drei Qubits durch

T|a,b,c=|a,b,cabT\left|a,b,c\right\rangle=\left|a,b,c\oplus ab\right\rangle

auf Basiszuständen (abab ist dabei das Produkt der zwei Bits a,b{0,1}a,b\in\{0,1\}, und \oplus wurde in Gl. 3.21 definiert), und erweitere sie durch Linearität auf beliebige Drei-Qubit-Zustände. Zeige, dass TT alle Quantenzustände auf Quantenzustände abbildet, und dass TT invertierbar ist.

Bemerkung: TT invertiert das dritte Bit genau dann, wenn beide ersten Bits beide eins sind – es ist also eine “zweifach-kontrollierte”-NOT-Operation.

Lösung. Sei
|ψ\displaystyle\left|\psi\right\rangle =ψ000|000+ψ001|001+ψ010|010+ψ011|011\displaystyle=\psi_{000}\left|000\right\rangle+\psi_{001}\left|001\right% \rangle+\psi_{010}\left|010\right\rangle+\psi_{011}\left|011\right\rangle
+ψ100|100+ψ101|101+ψ110|110+ψ111|111\displaystyle+\,\psi_{100}\left|100\right\rangle+\psi_{101}\left|101\right% \rangle+\psi_{110}\left|110\right\rangle+\psi_{111}\left|111\right\rangle
ein beliebiger Drei-Qubit-Zustand. Das Ergebnis einer Toffoli-Operation ist dann
|ψ=T|ψ\displaystyle\left|\psi^{\prime}\right\rangle=T\left|\psi\right\rangle =ψ000|000+ψ001|001+ψ010|010+ψ011|011\displaystyle=\psi_{000}\left|000\right\rangle+\psi_{001}\left|001\right% \rangle+\psi_{010}\left|010\right\rangle+\psi_{011}\left|011\right\rangle
+ψ100|100+ψ101|101+ψ110|𝟏𝟏𝟏+ψ111|𝟏𝟏𝟎.\displaystyle+\,\psi_{100}\left|100\right\rangle+\psi_{101}\left|101\right% \rangle+\psi_{110}\mathbf{\left|111\right\rangle}+\psi_{111}\mathbf{\left|110% \right\rangle}.
Die zwei Basiszustände sind fett hervorgehoben. Bemerke, dass sich einzig die Amplituden von |110\left|110\right\rangle und |111\left|111\right\rangle vertauscht haben. Demnach gilt wenn a,b,c=01ψa,b,c2=1\sum_{a,b,c=0}^{1}\psi_{a,b,c}^{2}=1, dass auch a,b,c=01(ψa,b,c)2=1\sum_{a,b,c=0}^{1}(\psi^{\prime}_{a,b,c})^{2}=1. Also bildet TT Quantenzustände auf Quantenzustände ab.

4.4 zeigt, dass die Toffoli-Operation eine gültige Quantenoperation auf drei Qubit ist. Interessanterweise ist es tatsächlich möglich TT als eine Reihe von Ein- und Zwei-Qubit-Operationen zu schreiben. Tatsächlich ist das für jede Quantenoperation auf nn Qubits möglich – aber das werden wir nicht in diesem Kurs lernen, da man viel Erfahrung mit Quantenoperationen braucht, um zu verstehen, wie das funktioniert!