4.2.4 Een glimp van quantumnetwerken
Door herhaaldelijk teleportatie te gebruiken, kunnen we quantumbits communiceren tussen verafgelegen knooppunten. Stel bijvoorbeeld dat Alice, haar robot-ezel en Bob zich in de volgende situatie bevinden:
waarbij elke ‘-pijl een maximaal verstrengelde toestand aangeeft. Dat wil zeggen, de gezamenlijke toestand van onze drie spelers is de volgende vier-qubit-toestand:
waarbij de middelste twee qubits van Alice zijn – de eerste is verstrengeld met de robot en de tweede met Bob.
Merk op dat de robot-ezel niet direct verstrengeld is met Bob! Als het toch een quantumboodschap had om naar Bob te sturen, dan zou dit nogsteeds gedaan kunnen worden door de teleportatieprocedure twee keer uit te voeren: Eerst teleporteren we de boodschap van de ezel robot naar Alice (waarbij we de eerste maximaal verstrengelde toestand verbruiken) en vervolgens van Alice naar Bob (waarbij we de overgebleven maximaal verstrengelde toestand verbruiken). Dit is vergelijkbaar met hoe je mobiele telefoon bijvoorbeeld verbinding maakt met een basisstation in de buurt, dat op zijn beurt het signaal ‘herhaalt’ of ‘doorgeeft’ aan een andere gsm-mast (enzovoort). Hoewel we quantummechanisch gezien een qubit niet kunnen kopiëren, vanwege het ’no cloning theorem’ (c.f. 4.1), kunnen we de qubit wel over lange afstanden teleporteren!
Verstrengeling is niet alleen nuttig voor teleportatie maar ook voor veel andere toepassingen. Is er ook een manier om teleportatie te gebruiken om verstrengeling te veroorzaken tussen Alice’s robot-ezel en Bob (wat ze dan voor andere doeleinden kunnen gebruiken)?
Intuïtief gezien lijkt het erop dat Alice gewoon haar eerste qubit (degene die verstrengeld is met de robot-ezel) naar Bob moet teleporteren. In Quirky zou dit er als volgt uitzien:
Hier maken we eerst de twee maximaal verstrengelde toestanden en passen we vervolgens hetzelfde teleportatie-circuit toe als hierboven (grijze blok). We hopen dat dit een maximale verstrengelde toestand oplevert tussen de robot-ezel en Bob. In de volgende huiswerkopdracht kan je laten zien dat dit inderdaad het geval is.
Huiswerkopdracht 4.3 (Een vestrengelde qubit teleporteren).
Bevestig met Quirky dat aan het einde van get circuit de qubit van de ezel en de qubit van Bob in de maximaal verstrengelde toestand zitten.
Hack.
A good way to verify that you have a given state , is to find a quantum operation that brings back to and then measure. If you then get for outcome 0, you know that you indeed had (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 that sends some multi-qubit state back to . If you then get outcome with certainty for each qubit, then the state you had before applying must have been state .
So in our case, we want to verify that the teleported state in the donkey’s and Bob’s qubit is:
To do so, we need to operate the state back to . The state was created by
Therefore we need to first invert and then . But both of these operations invert themselves! Let us check this. If we first apply a gate where Bob’s qubit is the control qubit and the donkey’s qubit is the target qubit, we obtain the following state:
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 . Measuring both qubits (jointly) will now result in a measurement outcome of with , which we can check with Quirky. This is done by the circuit below, where we added the final , and measurements that we talked about above:
Indeed, we see that both measurement outcomes are with probability 100%, indicating that the state 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):
We see that the outcome 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 . This is because if is a probability distribution of two bits such that measuring the first bit of always gives 0 and measuring the second bit of also always gives 0, then the probability distribution must be (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:
Here, qubits 1 and 2 are in the state , while qubits 3 and 4 are in the state . 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 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:
In this case, we can see a difference between and . Indeed, for the first state, all four outcomes , , , and are equally likely, while for the second state we only get or with equal probability. However, this does still not confirm that the state was ! Indeed, the state could just as well have been , which gives the same probabilities:
Indeed, all you know after the looking at the joint probabilities is that the state is either or . 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 Paragraaf 2.5.1 and in particular 2.6.
We kunnen op dezelfde manier teleportatie gebruiken om verstrengeling te veroorzaken tussen steeds verder weg gelegen knooppunten. Stel bijvoorbeeld dat we in de volgende situatie zitten:
Als Alice eerst haar eerste qubit naar Bob teleporteert en Bob vervolgens zijn eerste qubit naar zijn robot-eekhoorn teleporteert, geeft dit een maximaal verstrengelde toestand tussen de twee robots. Laten we hopen dat de robots deze verstrengeling alleen voor goedaardige doeleinden gebruiken!
Het tot stand brengen van verstrengeling over lange afstanden zal een belangrijke functie zijn zodra we quantumcomputers met elkaar proberen te verbinden in een klein netwerk of, als we een beetje gewaagd durven dromen, in een toekomstig ‘quantum internet’. Een aantal van ons is al druk aan het nadenken over hoe we dit in de praktijk kunnen realiseren en hoe we verstrengeling over lange afstanden het beste kunnen gebruiken voor interessante toepassingen.