4.2.4 Ein Blick auf Quantennetzwerke

Durch wiederholte Quantenteleportation können wir Quantenbits zwischen weit entfernten Knotenpunkten kommunizieren. Nehmen wir beispielsweise an, Alice, ihr Roboteresel und Bob befinden sich in der folgenden Situation:

Alice’ RobotereselAliceBob,\displaystyle\text{Alice' Roboteresel}\;\longleftrightarrow\;\text{Alice}\;% \longleftrightarrow\;\text{Bob},

wobei jeder “\leftrightarrow”-Pfeil einen maximal verschränkten Zustand darstellt. Dann ist der Gesamtzustand der drei Teilnehmenden in dem folgenden Vier-Qubit-Zustand:

|Φ+|Φ+,\displaystyle\left|\Phi^{+}\right\rangle\otimes\left|\Phi^{+}\right\rangle,

Wobei die mittleren beiden Bits Alice gehören – das erste davon ist mit dem Roboter verschränkt, während das zweite mit Bob verschränkt ist.

Dabei ist der Roboteresel nicht direkt mit Bob verschränkt! Trotzdem könnte der Roboter eine Quantennachricht an Bob schicken, indem die Teleportation zweimal durchgeführt wird: zunächst teleportieren wir die Nachricht vom Roboteresel zu Alice (wobei der erste verschränkte Zustand verbraucht wird) und anschließend von Alice zu Bob (sodass auch der zweite verschränkte Zustand verbraucht wird). Das entspricht in etwa einem Mobiltelefon, dass sich zunächst mit einer nahegelegen Basisstation verbindet, welche das Signal wiederum an einen weiteren Masten weiterleitet (und so weiter). Zwar können wir Qubit wegen des Unklonbarkeit-Theorems (siehe 4.1) nicht kopieren, aber trotzdem können wir es über große Distanzen teleportieren!

Verschränkung ist nicht nur für Teleportation sondern auch für viele anderen Dinge nützlich. Könnten wir mit Teleportation auch Verschränkung zwischen Alice’ Roboteresel und Bob herstellen (die diese dann für andere Zwecke nutzen können)?

Intuitiv scheint es, als müsste Alice nur ihr erstes Qubit (welches mit dem Roboteresel verschränkt ist) zu Bob teleportieren. In Quirky würde das so aussehen:

Dabei werden zuerst zwei maximal verschränkte Zustände erstellt und anschließend der schon bekannte Teleportations-Schaltkreis (graue Box) angewendet. Wir hoffen dabei, dass das zu einem maximal verschränkten Zustand zwischen dem Roboteresel und Bob führt. In der folgenden Hausaufgabe kannst du beweisen, dass das tatsächlich der Fall ist.

Hausaufgabe 4.3 (Teleportieren von Verschränkung).

Bestätige mit Quirky, dass am Ende des Schaltkreises die Qubits vom Roboteresel und von Bob tatsächlich im maximal verschränkten Zustand |Φ+\left|\Phi^{+}\right\rangle sind.

Hack.

A good way to verify that you have a given state |ψ\left|\psi\right\rangle, is to find a quantum operation that brings |ψ\left|\psi\right\rangle back to |0\left|0\right\rangle and then measure. If you then get 100%100\% for outcome 0, you know that you indeed had |ψ\left|\psi\right\rangle (this is because quantum operations are invertible, so whenever you know the output state of an operation there is only one possible input state). This is the same general strategy that we followed in the previous homework problem, and it generalizes to multiple qubits, too! Suppose that you have a quantum operation UU that sends some multi-qubit state |ψ\left|\psi\right\rangle back to |00\left|0\cdots 0\right\rangle. If you then get outcome 0 with certainty for each qubit, then the state you had before applying UU must have been state |ψ\left|\psi\right\rangle.

So in our case, we want to verify that the teleported state in the donkey’s and Bob’s qubit is:

|Φ+=12(|00+|11).\left|\Phi^{+}\right\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\left|00\right\rangle+% \left|11\right\rangle\right).

To do so, we need to operate the state back to |00\left|00\right\rangle. The state |Φ+\left|\Phi^{+}\right\rangle was created by

|Φ+=CNOT12(HI)|00\left|\Phi^{+}\right\rangle=\mathrm{CNOT}_{1\to 2}(H\otimes I)\left|00\right\rangle

Therefore we need to first invert CNOT12\mathrm{CNOT}_{1\to 2} and then (HI)(H\otimes I). But both of these operations invert themselves! Let us check this. If we first apply a CNOT\mathrm{CNOT} gate where Bob’s qubit is the control qubit and the donkey’s qubit is the target qubit, we obtain the following state:

12(|00+|10)=12(|0+|1)|0=|+|0\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\left|00\right\rangle+\left|10\right\rangle\right)=% \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\left|0\right\rangle+\left|1\right\rangle\right)% \otimes\left|0\right\rangle=\left|+\right\rangle\otimes\left|0\right\rangle

So, if Bob can now apply a Hadamard gate to his qubit, then Bob’s and the donkey’s qubits end up in the state |00\left|00\right\rangle. Measuring both qubits (jointly) will now result in a measurement outcome of 0 with 100%100\%, which we can check with Quirky. This is done by the circuit below, where we added the final CNOT\mathrm{CNOT}, HH and measurements that we talked about above:

[Uncaptioned image]

Indeed, we see that both measurement outcomes are 0 with probability 100%, indicating that the state |Φ+\left|\Phi^{+}\right\rangle was indeed prepared successfully.


Alternatively, you could also look at the probabilities of joint measurement outcomes, as in the following circuit (we swapped the second and the fourth qubit so that the two qubits of interst are next to each other):

[Uncaptioned image]

We see that the outcome [00][00] arises with 100% probability.

Note that, a priori, these are two different test, because in the first one we are looking at the probabilities of the individual measurement outcomes, whereas in the second test we are looking at the probability distribution of both outcomes at the same time. However, the two tests are completely equivalent (meaning that you can use either of them to determine if the state is |00\left|00\right\rangle. This is because if pp is a probability distribution of two bits such that measuring the first bit of pp always gives 0 and measuring the second bit of pp also always gives 0, then the probability distribution must be p=[00]p=[00] (this is very intuitive – as soon as there is another term there would be some probability of outcome 1 in either the first or the second bit).


Is there an easier way to solve this problem? Some of you may have tried to put the measurements and probability boxes directly after the teleportation circuit, without applying any additional quantum operations. For example, you may have tried simply measuring qubits 1 and 4 individually. However, this provides very little information (in particular, this does not even tell you whether there are correlations between the outcomes or not). This is illustrated in the following figure:

[Uncaptioned image]

Here, qubits 1 and 2 are in the state |+|+=12(|00+|01+|10+|11)\left|+\right\rangle\otimes\left|+\right\rangle=\frac{1}{2}(\left|00\right% \rangle+\left|01\right\rangle+\left|10\right\rangle+\left|11\right\rangle), while qubits 3 and 4 are in the state |Φ+=12(|00+|11)\left|\Phi^{+}\right\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(\left|00\right\rangle+\left|11% \right\rangle). These are very different states – one is maximally entangled, while the other is a product state! But the figure shows that if we only look at the probabilities of single-qubit measurement outcomes then in each case we get two 50%50\% boxes. So simply measuring the individual qubits is not a good strategy.

We can do somewhat better by looking at the joint probabilities of measurement outcomes:

[Uncaptioned image]

In this case, we can see a difference between |+|+\left|+\right\rangle\otimes\left|+\right\rangle and |Φ+\left|\Phi^{+}\right\rangle. Indeed, for the first state, all four outcomes [00][00], [01][01], [10][10], and [11][11] are equally likely, while for the second state we only get [00][00] or [11][11] with equal probability. However, this does still not confirm that the state was |Φ+\left|\Phi^{+}\right\rangle! Indeed, the state could just as well have been |Φ=12(|00|11)\left|\Phi^{-}\right\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(\left|00\right\rangle-\left|11% \right\rangle), which gives the same probabilities:

[Uncaptioned image]

Indeed, all you know after the looking at the joint probabilities is that the state is either |Φ+\left|\Phi+\right\rangle or |Φ\left|\Phi^{-}\right\rangle. In order to distinguish between these two cases we first have to apply some unitary, and this is exactly what is achieved by the solution that we discussed above. Note that this is similar to the discussion in Abschnitt 2.5.1 and in particular 2.6.

Auf die gleiche Art können wir Teleportation nutzen um Verschränkung zwischen immer weiter entfernten Knotenpunkten zu erstellen. Stell dir beispielsweise vor, wir haben folgende Situation:

Alice’ RobotereselAliceBobBobs Roboter-Eichhörnchen.\displaystyle\text{Alice' Roboteresel}\;\longleftrightarrow\;\text{Alice}\;% \longleftrightarrow\;\text{Bob}\;\longleftrightarrow\;\text{Bobs Roboter-Eichh% \"{o}rnchen}.

Wenn Alice zunächst ihr erstes Qubit zu Bob teleportiert und dieser anschließend sein erstes Qubit zu seinem Roboter-Eichhörnchen teleportiert, erhalten wir einen maximal verschränkten Zustand zwischen den beiden Robotern. Hoffen wir, dass die Roboter die Verschränkung nur für gute Zwecke nutzen!

Verschränkung über große Distanzen herzustellen wird dann wichtig, wenn wir versuchen wollen, Quantencomputer in einem kleinen Netzwerk zu verbinden, oder in einer kühn-geträumten Zukunft für ein “Quanten-Internet”. Einige von uns denken schon intensiv darüber nach, wie sich sowas in der Praxis umsetzen ließe und wofür wir diese Verschränkung über große Entfernung am besten nutzen können.