Quantengatter

Quantengatter sind elementare Bestandteile aus denen Quantencomputer aufgebaut werden. Sie sind vergleichbar mit elektronischen Gattern, arbeiten jedoch nicht nur mit dem Vorhandensein bzw. Abhandensein von Teilchen (Elektronen, Ionen, Photonen, etc.), sondern zusätzlich auch mit dem Spin, den Fermionen, Bosonen und daraus aufgebauten Quantenpunkten.

Die quantenphysikalischen Eigenschaften dieser Teilchens werden durch dessen komplexe Rotation (Spin) bzw. die Polarisation bei Photonen festgelegt. Ein Elektron hat zum Beispiel einen Spin von 1/2. Das bedeutet, dass sich das Elektron zwei Mal um die eigene Achse drehen muss, damit es wieder in die Anfangslage kommt. Vereinfacht kann man sich das so vorstellen, dass sich das Elektron in nicht nur um eine Achse, sondern um alle drei Raumachsen, mit jeweils unterschiedlicher Rotationsgeschwindigkeit, rotiert.

Quantengatter sind in der Lage diese komplexe Rotation gezielt zu beeinflussen. Bei geschickter Anordnung von Quantengattern kann man diese Eigenschaft nutzen, um damit Rechenoperationen auszuführen. Die elementare Darstellung der zu verarbeitenden Information als Spin eines einzelnen Teilchens ist das Qubit (Quantenbit).

Darstellung

In der üblichen Darstellung wird, wie beim klassischen elektronischen Gatter, am Eingang (in der folgenden Darstellung links) ein Qubit eingegeben, welches in das Quantengatter fließt. Dort wird die Rechenoperation an dem Qubit vorgenommen und das veränderte Qubit am Ausgang (in der folgenden Darstellung rechts) ausgegeben.

Die gezeigten Graphen sollen die Blochsphäre für verschiedene Anfangs- und Endzustände darstellen, welche jeweils in einer anderen Farbe dargestellt sind. Dadurch kann man sich die Drehungen besser vorstellen. Die Wahrscheinlichkeiten der einzelnen überlagerten Zustände können in dieser Darstellungsform allerdings nicht berücksichtigt werden.

Realisierung

In der Praxis wird das Teilchen, welches die Quanteninformation speichert, meist nicht durch ein Bauteil geleitet, sondern in einer Ionenfalle festgehalten und die Rechenoperation mit Hilfe von Photonen mit einem vorgegebenen Quantisierungszustand auf das Teilchen übertragen.

Arbeitsweise eines als Ionenfalle realisierten Quantengatters
width="160px" Vorlage:Highlight1\| Schritt 1	width="160px" Vorlage:Highlight1\| Schritt 2	width="160px" Vorlage:Highlight1\| Schritt 3

Ein Ion (gelb) wird in einer Ionenfalle durch ein elektromagnetisches Feld (blau) festgehalten und durch einen Laser gekühlt. Auf dieses Ion wird ein polarisiertes Photon (grün) "geschossen".	Sobald das Photon auf das Ion trifft, entsteht eine Wechselwirkung zwischen den beiden Teilchen. Dies ist die eigentliche Rechenoperation an dem Quantensystem.	Wenn das Photon die Ionenfalle verlässt, hat das Ion einen Zustand eingenommen, der sich aus der Überlagerung des Quantenzustandes des Ions und des Photons ergibt.

Quantengatter mit mehreren Eingängen

Für einen Quantencomputer benötigt man lediglich Gatter, die auf ein einzelnes Qubit wirken (dh. nur Quantengatter mit einem Eingang) und das kontrollierte Nicht-Gatter. Alle anderen Gatter kann man aus diesen Gattern zusammensetzen.

siehe auch: Optimal Quantum Circuits for General Two-Qubit Gates

Wirkung

Quantengatter mit einem einzigen Eingang sind in der Lage ein einzelnes Qubit zu verändern. Dieses Qubit kann lediglich entweder logisch 1 oder logisch 0 darstellen. Das allein ist also kein Vorteil im Vergleich zu den bisherigen elektronischen Gattern. Die Phasenlage ist jedoch ein Indikator dafür, wie wahrscheinlich die jeweiligen Zustände sind. Man spricht hierbei davon, dass sich die beiden Zustände $\left|0\right\rangle$ und $\left|1\right\rangle$ überlagern und sich das Qubit in Superposition befindet. Beispielsweise sind bei einer Phasenverschiebung von 90° die Messwerte zu 50% logisch 1 und die anderen 50% der Messwerte logisch 0. Eine Rechenoperation auf ein solches Qubit wird daher auf den Zustand $\left|0\right\rangle$ und den Zustand $\left|1\right\rangle$ gleichzeitig angewendet.

Der Nachteil ist, dass bei einer Messung aufgrund des Kollaps der Wellenfunktion nur ein einzelnes mögliches Ergebnis zurückgeliefert wird. Ein brauchbares Ergebnis ist daher nur durch mehrfaches Wiederholen der Rechenoperation und eine anschließende statistische Auswertung der Messergebnisse möglich.

Siehe auch

Weblinks

Fraunhofer Quantum Computing Simulator