Quanteninformationen - Quantum information

Optische Gitter verwenden Laser, um Rubidiumatome (rot) zu trennen, um sie als Informationsbits in Quantenprozessoren für neutrale Atome zu verwenden – Prototypen von Geräten, die Designer zu vollwertigen Quantencomputern entwickeln wollen. Bildnachweis: NIST

Quanteninformation ist die Information über den Zustand eines Quantensystems . Es ist die grundlegende Studieneinheit in der Quanteninformationstheorie und kann mit Quanteninformationsverarbeitungstechniken manipuliert werden . Quanteninformationen beziehen sich sowohl auf die technische Definition in Bezug auf die Von-Neumann-Entropie als auch auf den allgemeinen rechnerischen Begriff.

Es ist ein interdisziplinäres Gebiet, das unter anderem Quantenmechanik , Informatik , Informationstheorie , Philosophie und Kryptographie umfasst . Das Studium ist auch für Disziplinen wie Kognitionswissenschaft , Psychologie und Neurowissenschaften relevant . Sein Hauptaugenmerk liegt auf der Gewinnung von Informationen aus Materie im mikroskopischen Maßstab. Die Beobachtung in der Wissenschaft ist eine der wichtigsten Arten der Informationsgewinnung, und Messungen sind erforderlich, um die Beobachtung zu quantifizieren, was für die wissenschaftliche Methode von entscheidender Bedeutung ist . In der Quantenmechanik können nicht kommutierende Observablen aufgrund der Unschärferelation nicht gleichzeitig präzise gemessen werden, da ein Eigenzustand in einer Basis kein Eigenzustand in der anderen Basis ist. Da beide Variablen nicht gleichzeitig gut definiert sind, kann ein Quantenzustand niemals definitive Informationen über beide Variablen enthalten.

Information ist etwas, das im Zustand eines Quantensystems kodiert ist, es ist physisch. Während sich die Quantenmechanik mit der Untersuchung von Eigenschaften von Materie auf mikroskopischer Ebene befasst, konzentriert sich die Quanteninformationswissenschaft darauf, Informationen aus diesen Eigenschaften zu extrahieren, und Quantencomputer manipuliert und verarbeitet Informationen – führt logische Operationen durch – unter Verwendung von Quanteninformationsverarbeitungstechniken .

Quanteninformation, wie klassische Informationen können unter Verwendung verarbeitet werden digitale Computer , übertragen von einem Ort zum anderen, mit manipulierten Algorithmen und mit der Informatik und analysiert Mathematik . So wie die Grundeinheit der klassischen Information das Bit ist, handelt es sich bei der Quanteninformation um Qubits. Quanteninformationen können mit der Von-Neumann-Entropie gemessen werden.

In letzter Zeit hat sich das Gebiet des Quantencomputings zu einem aktiven Forschungsgebiet entwickelt, da die Möglichkeit besteht, moderne Berechnungen, Kommunikation und Kryptographie zu stören .

Geschichte und Entwicklung

Entwicklung aus der fundamentalen Quantenmechanik

Die Geschichte der Quanteninformation begann um die Jahrhundertwende mit der Revolution der klassischen Physik zur Quantenphysik . Die Theorien der klassischen Physik sagten Absurditäten wie die ultraviolette Katastrophe oder die Spirale von Elektronen in den Kern voraus . Zunächst wurden diese Probleme beiseite gewischt, indem Ad-hoc-Hypothesen zur klassischen Physik hinzugefügt wurden. Bald wurde klar, dass eine neue Theorie geschaffen werden musste, um diese Absurditäten zu verstehen, und die Theorie der Quantenmechanik war geboren.

Die Quantenmechanik wurde von Schrödinger mit der Wellenmechanik und von Heisenberg mit der Matrixmechanik formuliert . Die Gleichwertigkeit dieser Methoden wurde später bewiesen. Ihre Formulierungen beschrieben die Dynamik mikroskopischer Systeme, hatten jedoch einige unbefriedigende Aspekte bei der Beschreibung von Messprozessen. Von Neumann formulierte die Quantentheorie mithilfe der Operatoralgebra so, dass sie sowohl die Messung als auch die Dynamik beschrieb. Diese Studien betonten eher die philosophischen Aspekte der Messung als einen quantitativen Ansatz zur Gewinnung von Informationen durch Messungen.

Siehe: Dynamische Bilder

Evolution Bild ( )
von: Heisenberg Interaktion Schrödinger
Ket-Zustand Konstante
Beobachtbar Konstante
Dichtematrix Konstante


Entwicklung aus Kommunikation

In den 1960er Jahren schlugen Stratonovich , Helstrom und Gordon eine Formulierung der optischen Kommunikation unter Verwendung der Quantenmechanik vor. Dies war das erste historische Erscheinen der Quanteninformationstheorie. Sie untersuchten hauptsächlich Fehlerwahrscheinlichkeiten und Kanalkapazitäten für die Kommunikation. Später erreichte Holevo eine obere Grenze der Kommunikationsgeschwindigkeit bei der Übertragung einer klassischen Nachricht über einen Quantenkanal.

Entwicklung aus Atomphysik und Relativität

In den 1970er Jahren wurden Techniken zur Manipulation von Einzelatom-Quantenzuständen wie die Atomfalle und das Rastertunnelmikroskop entwickelt, die es ermöglichen, einzelne Atome zu isolieren und in Arrays anzuordnen. Vor diesen Entwicklungen war eine präzise Kontrolle über einzelne Quantensysteme nicht möglich, und Experimente nutzten eine gröbere, gleichzeitige Kontrolle über eine große Anzahl von Quantensystemen. Die Entwicklung praktikabler Single-State-Manipulationstechniken führte zu einem verstärkten Interesse im Bereich der Quanteninformation und -berechnung.

In den 1980er Jahren kam das Interesse auf, ob es möglich sein könnte, Einsteins Relativitätstheorie mithilfe von Quanteneffekten zu widerlegen. Wenn es möglich wäre, einen unbekannten Quantenzustand zu klonen, wäre es möglich, verschränkte Quantenzustände zu verwenden, um Informationen schneller als Lichtgeschwindigkeit zu übertragen, was Einsteins Theorie widerlegt. Das No-Cloning-Theorem zeigte jedoch, dass ein solches Klonen unmöglich ist. Das Theorem war eines der frühesten Ergebnisse der Quanteninformationstheorie.

Entwicklung aus der Kryptographie

Trotz aller Aufregung und des Interesses, isolierte Quantensysteme zu studieren und einen Weg zu finden, die Relativitätstheorie zu umgehen, stagnierte die Forschung auf dem Gebiet der Quanteninformationstheorie in den 1980er Jahren. Ungefähr zur gleichen Zeit begann jedoch ein anderer Weg, sich mit Quanteninformationen und Berechnungen zu beschäftigen: Kryptographie . Im Allgemeinen ist Kryptographie das Problem der Kommunikation oder Berechnung, an der zwei oder mehr Parteien beteiligt sind, die einander möglicherweise nicht vertrauen.

Bennett und Brassard entwickelten einen Kommunikationskanal, auf dem es unmöglich ist, unbemerkt abzuhören , eine Möglichkeit, heimlich über große Entfernungen mit dem quantenkryptografischen Protokoll BB84 zu kommunizieren . Die Schlüsselidee war die Verwendung des Grundprinzips der Quantenmechanik, dass Beobachtung das Beobachtete stört, und die Einführung eines Lauschers in eine sichere Kommunikationsleitung wird die beiden Parteien, die versuchen zu kommunizieren, sofort über die Anwesenheit des Lauschers informieren.

Entwicklung aus Informatik und Mathematik

Mit dem Aufkommen von Alan Turings revolutionären Ideen eines programmierbaren Computers oder einer Turing-Maschine zeigte er, dass jede reale Berechnung in eine äquivalente Berechnung mit einer Turing-Maschine übersetzt werden kann. Dies ist als Church-Turing-These bekannt .

Schon bald wurden die ersten Computer hergestellt und die Computerhardware wuchs so schnell, dass das Wachstum durch Erfahrung in der Produktion in einer empirischen Beziehung namens Moores Gesetz kodifiziert wurde . Dieses „Gesetz“ ist ein projektiver Trend, der besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre verdoppelt. Als Transistoren immer kleiner wurden, um mehr Leistung pro Oberfläche zu packen, traten Quanteneffekte in der Elektronik auf, die zu unbeabsichtigten Interferenzen führten. Dies führte zum Aufkommen des Quantencomputings, das die Quantenmechanik nutzte, um Algorithmen zu entwickeln.

An diesem Punkt zeigten Quantencomputer das Versprechen, bei bestimmten spezifischen Problemen viel schneller zu sein als klassische Computer. Ein solches Beispielproblem wurde von David Deutsch und Richard Jozsa entwickelt , bekannt als Deutsch-Jozsa-Algorithmus . Dieses Problem hatte jedoch wenig bis keine praktischen Anwendungen. 1994 stellte Peter Shor ein sehr wichtiges und praktisches Problem , nämlich die Primfaktoren einer ganzen Zahl zu finden. Das Diskrete-Logarithmus- Problem, wie es genannt wurde, konnte auf einem Quantencomputer effizient gelöst werden, aber nicht auf einem klassischen Computer, was zeigt, dass Quantencomputer leistungsfähiger sind als Turing-Maschinen.

Entwicklung aus der Informationstheorie

Etwa zu der Zeit machte die Informatik eine Revolution, ebenso wie die Informationstheorie und die Kommunikation durch Claude Shannon . Shannon entwickelte zwei grundlegende Theoreme der Informationstheorie: das rauschfreie Kanalcodierungstheorem und das verrauschte Kanalcodierungstheorem. Er zeigte auch, dass Fehlerkorrekturcodes verwendet werden können, um die gesendeten Informationen zu schützen.

Auch die Quanteninformationstheorie verfolgte einen ähnlichen Weg, Ben Schumacher machte 1995 mit dem Qubit ein Analogon zu Shannons geräuschlosem Codierungstheorem . Außerdem wurde eine Theorie der Fehlerkorrektur entwickelt, die es Quantencomputern ermöglicht, unabhängig von Rauschen effiziente Berechnungen durchzuführen und eine zuverlässige Kommunikation über verrauschte Quantenkanäle zu ermöglichen.

Qubits und Informationstheorie

Quanteninformationen unterscheiden sich in vielerlei auffallender und ungewohnter Weise stark von klassischen Informationen, die durch das Bit verkörpert werden. Während die grundlegende Einheit der klassischen Information das Bit ist , ist die grundlegendste Einheit der Quanteninformation das Qubit . Klassische Informationen werden mit der Shannon-Entropie gemessen , während das quantenmechanische Analogon die Von-Neumann-Entropie ist . Ein gegebenes statistisches Ensemble quantenmechanischer Systeme mit der Dichtematrix ist gegeben durch Viele der gleichen Entropiemaße in der klassischen Informationstheorie können auch auf den Quantenfall verallgemeinert werden, wie die Holevo-Entropie und die bedingte Quantenentropie .

Im Gegensatz zu klassischen digitalen Zuständen (die diskret sind) hat ein Qubit einen stetigen Wert, der durch eine Richtung auf der Bloch-Kugel beschrieben werden kann . Obwohl ein Qubit auf diese Weise kontinuierlich bewertet wird, ist es die kleinstmögliche Einheit der Quanteninformation, und obwohl der Qubit-Zustand kontinuierlich bewertet ist, ist es unmöglich , den Wert genau zu messen . Fünf berühmte Theoreme beschreiben die Grenzen der Manipulation von Quanteninformationen.

  1. No-Teleportation Theorem , das besagt, dass ein Qubit nicht (ganz) in klassische Bits umgewandelt werden kann; das heißt, es kann nicht vollständig "gelesen" werden.
  2. No-Cloning-Theorem , das verhindert, dass ein beliebiges Qubit kopiert wird.
  3. No-Deleting-Theorem , das verhindert, dass ein beliebiges Qubit gelöscht wird.
  4. No-Broadcast-Theorem , das verhindert, dass ein beliebiges Qubit an mehrere Empfänger geliefert wird, obwohl es von Ort zu Ort transportiert werden kann ( zB über Quantenteleportation ).
  5. No-Hiding-Theorem , das die Erhaltung der Quanteninformation demonstriert.

Diese Theoreme beweisen, dass die Quanteninformation im Universum erhalten bleibt. Sie eröffnen Möglichkeiten in der Quanteninformationsverarbeitung.

Quanteninformationsverarbeitung

Der Zustand eines Qubits enthält alle seine Informationen. Dieser Zustand wird häufig als Vektor auf der Bloch-Kugel ausgedrückt . Dieser Zustand kann durch Anwendung linearer Transformationen oder Quantengatter geändert werden . Diese einheitlichen Transformationen werden als Rotationen auf der Bloch-Kugel bezeichnet. Während klassische Gatter den bekannten Operationen der Booleschen Logik entsprechen , sind Quantengatter physikalische unitäre Operatoren .

  • Aufgrund der Flüchtigkeit von Quantensystemen und der Unmöglichkeit, Zustände zu kopieren, ist die Speicherung von Quanteninformationen viel schwieriger als die Speicherung klassischer Informationen. Dennoch können mit der Quantenfehlerkorrektur Quanteninformationen im Prinzip immer noch zuverlässig gespeichert werden. Die Existenz von Quantenfehlerkorrekturcodes hat auch zur Möglichkeit einer fehlertoleranten Quantenberechnung geführt .
  • Klassische Bits können durch die Verwendung von Quantengattern in Konfigurationen von Qubits kodiert und anschließend daraus wiedergewonnen werden. Ein einzelnes Qubit allein kann nicht mehr als ein Bit zugänglicher klassischer Informationen über seine Herstellung vermitteln. Dies ist der Satz von Holevo . Bei der superdichten Codierung kann ein Sender jedoch, indem er auf eines von zwei verschränkten Qubits einwirkt , zwei Bits zugänglicher Informationen über ihren gemeinsamen Zustand an einen Empfänger übermitteln.
  • Quanteninformationen können in einem Quantenkanal analog zum Konzept eines klassischen Kommunikationskanals bewegt werden . Quantennachrichten haben eine endliche Größe, gemessen in Qubits; Quantenkanäle haben eine endliche Kanalkapazität , gemessen in Qubits pro Sekunde.
  • Quanteninformation und Veränderungen der Quanteninformation können quantitativ gemessen werden, indem man ein Analogon der Shannon- Entropie , die sogenannte von-Neumann-Entropie, verwendet .
  • In einigen Fällen können Quantenalgorithmen verwendet werden, um Berechnungen schneller durchzuführen als in jedem bekannten klassischen Algorithmus. Das bekannteste Beispiel dafür ist der Shor-Algorithmus , der Zahlen in polynomieller Zeit faktorisieren kann, im Vergleich zu den besten klassischen Algorithmen, die subexponentielle Zeit benötigen. Da die Faktorisierung ein wichtiger Teil der Sicherheit der RSA-Verschlüsselung ist , hat Shors Algorithmus das neue Gebiet der Post-Quanten-Kryptographie eröffnet , das versucht, Verschlüsselungsschemata zu finden, die auch dann sicher bleiben, wenn Quantencomputer im Einsatz sind. Andere Beispiele für Algorithmen, die die Quantenüberlegenheit demonstrieren, umfassen den Suchalgorithmus von Grover , bei dem der Quantenalgorithmus eine quadratische Beschleunigung gegenüber dem bestmöglichen klassischen Algorithmus bietet. Die Komplexitätsklasse von Problemen, die von einem Quantencomputer effizient lösbar sind, wird als BQP bezeichnet .
  • Die Quantum Key Distribution (QKD) ermöglicht eine bedingungslos sichere Übertragung klassischer Informationen, im Gegensatz zur klassischen Verschlüsselung, die grundsätzlich immer, wenn nicht in der Praxis, gebrochen werden kann. Beachten Sie, dass bestimmte subtile Punkte in Bezug auf die Sicherheit von QKD immer noch heiß diskutiert werden.

Das Studium aller oben genannten Themen und Unterschiede umfasst die Quanteninformationstheorie.

Bezug zur Quantenmechanik

Quantenmechanik ist die Untersuchung, wie sich mikroskopische physikalische Systeme in der Natur dynamisch verändern. Auf dem Gebiet der Quanteninformationstheorie werden die untersuchten Quantensysteme von jedem realen Gegenstück abstrahiert. Ein Qubit könnte zum Beispiel physikalisch ein Photon in einem linearen optischen Quantencomputer sein , ein Ion in einem Quantencomputer mit gefangenen Ionen , oder es könnte eine große Ansammlung von Atomen wie in einem supraleitenden Quantencomputer sein . Unabhängig von der physikalischen Implementierung gelten die Grenzen und Eigenschaften von Qubits, die von der Quanteninformationstheorie impliziert werden, da alle diese Systeme mathematisch durch dieselbe Vorrichtung von Dichtematrizen über den komplexen Zahlen beschrieben werden . Ein weiterer wichtiger Unterschied zur Quantenmechanik besteht darin, dass, während die Quantenmechanik oft unendlichdimensionale Systeme wie einen harmonischen Oszillator untersucht , sich die Quanteninformationstheorie sowohl auf kontinuierlich veränderliche als auch auf endlichdimensionale Systeme bezieht.

Entropie und Information

Die Entropie misst die Unsicherheit im Zustand eines physikalischen Systems. Entropie kann sowohl aus der Sicht der klassischen als auch der Quanteninformationstheorie untersucht werden.

Klassische Informationen

Die klassische Information basiert auf den Informationskonzepten von Claude Shannon . Klassische Informationen können im Prinzip in binären Strings gespeichert werden. Jedes System mit zwei Zuständen ist ein fähiges Bit.

Shannon-Entropie

Die Shannon-Entropie ist die Quantifizierung der Informationen, die durch die Messung des Wertes einer Zufallsvariablen gewonnen werden. Eine andere Denkweise ist die Betrachtung der Unsicherheit eines Systems vor der Messung. Als Ergebnis kann die Entropie, wie sie von Shannon dargestellt wird, entweder als Maß für die Unsicherheit vor einer Messung oder als Maß für die nach der Messung gewonnene Information angesehen werden.

Die Shannon-Entropie, geschrieben als Funktional einer diskreten Wahrscheinlichkeitsverteilung, die mit Ereignissen verbunden ist , kann als die durchschnittliche Information, die mit dieser Menge von Ereignissen verbunden ist, in Einheiten von Bits angesehen werden:

Diese Definition der Entropie kann verwendet werden, um die physischen Ressourcen zu quantifizieren, die zum Speichern der Ausgabe einer Informationsquelle erforderlich sind. Die oben diskutierten Methoden zur Interpretation der Shannon-Entropie sind normalerweise nur dann sinnvoll, wenn die Anzahl der Stichproben eines Experiments groß ist.

Rényi-Entropie

Die Rényi-Entropie ist eine Verallgemeinerung der oben definierten Shannon-Entropie. Die Rényi-Entropie der Ordnung r, geschrieben als Funktion einer diskreten Wahrscheinlichkeitsverteilung, , verbunden mit Ereignissen , ist definiert als:

für und .

Wir erhalten die Definition der Shannon-Entropie von Rényi wenn , der Hartley-Entropie (oder Max-Entropie) wenn und der Min-Entropie wenn .

Quanteninformationen

Die Quanteninformationstheorie ist weitgehend eine Erweiterung der klassischen Informationstheorie auf Quantensysteme. Bei Messungen von Quantensystemen entstehen klassische Informationen.

Von Neumann-Entropie

Eine Interpretation der Shannon-Entropie war die mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung verbundene Unsicherheit. Wenn wir die Information oder die Unsicherheit eines Quantenzustands beschreiben wollen, werden die Wahrscheinlichkeitsverteilungen einfach durch Dichteoperatoren vertauscht .

s sind die Eigenwerte von .

Von Neumann spielt in der Quanteninformation eine ähnliche Rolle wie die Shannon-Entropie in der klassischen Information

Anwendungen

Quantenkommunikation

Quantenkommunikation ist eine der Anwendungen der Quantenphysik und der Quanteninformation. Es gibt einige berühmte Theoreme wie das No-Cloning-Theorem, die einige wichtige Eigenschaften der Quantenkommunikation veranschaulichen. Dichte Codierung und Quantenteleportation sind ebenfalls Anwendungen der Quantenkommunikation. Sie sind zwei gegensätzliche Möglichkeiten, mit Qubits zu kommunizieren. Während die Teleportation ein Qubit von Alice und Bob überträgt, indem sie zwei klassische Bits unter der Annahme überträgt, dass Alice und Bob einen Pre-Shared Bell-Zustand haben, überträgt die dichte Codierung zwei klassische Bits von Alice an Bob unter Verwendung eines Qubits, wiederum unter der gleichen Annahme, dass Alice und Bob einen Pre-Shared Bell-Zustand haben.

Quantenschlüsselverteilung

Eine der bekanntesten Anwendungen der Quantenkryptographie ist die Quantenschlüsselverteilung, die eine theoretische Lösung für das Sicherheitsproblem eines klassischen Schlüssels bietet. Der Vorteil der Quantenschlüsselverteilung besteht darin, dass es aufgrund des No-Cloning-Theorems unmöglich ist, einen Quantenschlüssel zu kopieren . Wenn jemand versucht, verschlüsselte Daten zu lesen, ändert sich der übertragene Quantenzustand. Dies könnte verwendet werden, um das Abhören zu erkennen.

  • BB84

Das erste Quantenschlüsselverteilungsschema BB84 , das 1984 von Charles Bennett und Gilles Brassard entwickelt wurde. Es wird normalerweise als eine Methode zur sicheren Übertragung eines privaten Schlüssels von einem Dritten an einen anderen zur Verwendung bei der einmaligen Pad-Verschlüsselung erklärt.

  • E91

E91 wurde 1991 von Artur Ekert hergestellt. Sein Schema verwendet verschränkte Photonenpaare. Diese beiden Photonen können von Alice, Bob oder von einem Dritten einschließlich der Lauscherin Eve erzeugt werden. Eines der Photonen wird an Alice und das andere an Bob verteilt, sodass jedes mit einem Photon aus dem Paar endet.

Dieses Schema beruht auf zwei Eigenschaften der Quantenverschränkung:

  1. Die verschränkten Zustände sind perfekt korreliert, was bedeutet, dass, wenn Alice und Bob beide ihre Teilchen mit vertikaler oder horizontaler Polarisation messen, sie mit 100%iger Wahrscheinlichkeit immer die gleiche Antwort erhalten. Das gleiche gilt, wenn beide ein beliebiges anderes Paar komplementärer (orthogonaler) Polarisationen messen. Dies erfordert, dass die beiden entfernten Teilnehmer eine exakte Richtungssynchronisation haben. Allerdings ist der Quantenzustand nach der Quantenmechanik-Theorie völlig zufällig, so dass es für Alice unmöglich ist vorherzusagen, ob sie vertikale Polarisations- oder horizontale Polarisationsergebnisse erhält.
  2. Jeder Abhörversuch von Eve zerstört diese Quantenverschränkung, so dass Alice und Bob sie erkennen können.
  • B92

B92 ist eine einfachere Version von BB84.

Der Hauptunterschied zwischen B92 und BB84:

  • B92 braucht nur zwei Zustände
  • BB84 benötigt 4 Polarisationszustände

Wie das BB84 sendet Alice an Bob eine Reihe von Photonen, die mit zufällig ausgewählten Bits codiert sind, aber dieses Mal wählt Alice die Bits aus, die sie verwenden muss. Bob wählt immer noch zufällig eine Basis zum Messen aus, aber wenn er die falsche Basis wählt, wird er nichts messen, was durch quantenmechanische Theorien garantiert wird. Bob kann Alice einfach nach jedem Bit, das sie sendet, sagen, ob er es richtig gemessen hat oder nicht.

Quantenberechnung

Das am weitesten verbreitete Modell in der Quantenberechnung sind die Quantenschaltungen , die auf dem Quantenbit „ Qubit “ basieren . Qubit ist etwas analog zum Bit in der klassischen Berechnung. Qubits können sich in einem 1- oder 0- Quantenzustand befinden , oder sie können sich in einer Überlagerung der 1- und 0-Zustände befinden. Wenn jedoch Qubits gemessen werden, ist das Ergebnis der Messung immer entweder eine 0 oder eine 1; die Wahrscheinlichkeiten dieser beiden Ergebnisse hängen von dem Quantenzustand ab , in dem sich die Qubits unmittelbar vor der Messung befanden.

Jeder Quantenberechnungsalgorithmus kann als ein Netzwerk von Quantenlogikgattern dargestellt werden .

Quanten-Dekohärenz

Wenn ein Quantensystem perfekt isoliert wäre, würde es die Kohärenz perfekt aufrechterhalten, aber es wäre unmöglich, das gesamte System zu testen. Wenn es nicht perfekt isoliert ist, zum Beispiel während einer Messung, wird die Kohärenz mit der Umgebung geteilt und scheint mit der Zeit verloren zu gehen; Dieser Vorgang wird als Quantendekohärenz bezeichnet. Als Ergebnis dieses Prozesses geht anscheinend Quantenverhalten verloren, genauso wie in der klassischen Mechanik Energie durch Reibung verloren zu gehen scheint.

Quantenfehlerkorrektur

QEC wird im Quantencomputing verwendet , um Quanteninformationen vor Fehlern aufgrund von Dekohärenz und anderem Quantenrauschen zu schützen . Die Quantenfehlerkorrektur ist unerlässlich, wenn man eine fehlertolerante Quantenberechnung erreichen will, die nicht nur mit Rauschen gespeicherter Quanteninformationen umgeht, sondern auch mit fehlerhaften Quantengattern, fehlerhafter Quantenvorbereitung und fehlerhaften Messungen.

Peter Shor entdeckte als erster diese Methode zur Formulierung eines Quantenfehler-Korrekturcodes, indem er die Informationen eines Qubits auf einem stark verschränkten Zustand von ancilla-Qubits speicherte . Ein Quantenfehlerkorrekturcode schützt Quanteninformationen vor Fehlern.

Zeitschriften

Viele Zeitschriften veröffentlichen Forschungsergebnisse in der Quanteninformationswissenschaft , obwohl sich nur wenige diesem Bereich widmen. Darunter sind:

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise