4.1 Quantenschaltungen

Wenn man auf viele Qubits viele verschiedene Operationen anwendet, verliert man schnell den Überblick. Genau wie ein:e Komponist:in eine Partitur, also beschriebene Notenblätter, nutzen kann, um die Noten für jedes einzelne Instrument in einem Orchester zu jedem Zeitpunkt zuzuordnen, erlauben Quantenschaltungen uns eine bildliche Beschreibung, welche Operation auf welches Qubit zu einem bestimmten Zeitpunkt angewendet werden soll. Jede Operation ist sozusagen wie eine Note und die verschiedenen Quantenbits entsprechen den unterschiedlichen Instrumenten in einem Orchester!

Anders als in einem Orchester, können manche Quanten Operationen aber auch zwei (und manchmal sogar drei!) Quantenbits gleichzeitig beeinflussen. Das wäre, als würden wir eine Gitarristin bitten, auf der Geige zu klimpern, während der Geiger die Gitarre spielt! Solche Interaktionen zwischen den Musizierenden (oder Quantenbits) können viel Spaß machen und den Klang bereichern. In der Praxis können sie allerdings schwierig sein (vielleicht muss der Geiger komplett über die Bühne rennen, um die Gitarristin zu erreichen!) Außerdem könnten sich beispielsweise bei der hektischen Zusammenarbeit die Haare des Geigers in den großen Ohrringen der Gitarristin verfangen, weswegen die beiden das ganze Stück zusammen spielen müssten.

Je mehr Interaktionen zwischen den Qubits stattfinden, desto verschränkter werden sie normalerweise. Am Ende des Liedes sind oft alle Qubits so miteinander verschränkt, dass es unmöglich ist, sie zu unterscheiden. Die einzige Möglichkeit, sie zu sortieren und in einen sinnvollen Zustand zu bringen, besteht darin, sie zu messen! Genau so läuft eine Quantenberechnung ab. Formal besteht eine Quantenschaltung aus drei Teilen:

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   einem Initialzustand, typischerweise jedes Qubit im Zustand $\left|0\right\rangle$,

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   einer Reihe von Quantenoperationen, wobei jede typischerweise auf wenigen Qubits gleichzeitig wirkt (meist ein oder zwei),

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   Messungen, um Qubits auszulesen (häufig werden alle Qubits gemessen).

Wir können Quantenschaltungen grafisch mit den selben Bildern darstellen, die wir schon von Quirky kennen. Wenn wir über Quantenschaltung sprechen, werden Operationen und Messungen häufig als Quantengatter oder Quanten Gate bezeichnet (z.B. “Hadamard Gatter” anstelle “Hadamard Operation”). Wir betrachten nun, wie sich diese drei Teile in einem großen Orchester von Qubits verhalten.