Lässt es sich mit cremefarbenem Papier, einer Tönung, mehr Kontrast oder größerer Schrift besser lesen? Wählen Sie Ihre Farben und Ihre Schrift, einmalig für alle Seiten.

Kostenlose Lektion

Verschränkung und Bell-Zustand

Nach dieser Lektion: Ich kann einen Bell-Zustand bauen und erklären, warum er verschränkt ist.

Lektion, 70 Min.3 BefehleQuantensimulator-Lab: Qubits, Gatter und Messung in JupyterLab

Was ist Verschränkung?

Verschränkung ist eine Verbindung zwischen zwei Qubits, bei der sich ihr Zustand nicht mehr für jedes Qubit einzeln beschreiben lässt. Wenn Sie einen Bell-Zustand bauen und erklären können, verstehen Sie den Kern vieler Quantenverfahren.

Dazu brauchen Sie zwei Qubits, das Gatter CNOT und eine einfache Rechenregel für Listen, das Tensorprodukt.

Am Ende dieser Lektion

Notiz

Ich kann einen Bell-Zustand bauen und erklären, warum er verschränkt ist.

Schlüsselwörter

BegriffWas er bedeutetBeispiel
Tensorproduktdie Regel, die zwei getrennte Qubits zu einer Liste von vier Amplituden macht
CNOT-Gatterkehrt das zweite Qubit um, wenn das erste 1 ist
Bell-Zustandein verschränkter Zustand aus zwei Qubits0.707|00> + 0.707|11>
Verschränkungeine Verbindung, die sich nicht in zwei getrennte Zustände zerlegen lässt
Produktzustandein Zustand aus zwei Qubits, der nicht verschränkt ist

Die Zellen, die Lernende ausfüllen, bleiben in dieser Vorschau leer.

Zwei Qubits haben vier Amplituden

Zwei Qubits haben vier Amplituden, eine für jedes Wort aus zwei Bits. Die Reihenfolge ist 00, 01, 10, 11. Das erste Bit gehört zum Qubit 0, dem linken Qubit.

Wenn die Qubits getrennt sind, entsteht die Liste durch das Tensorprodukt: Jede Amplitude des linken Qubits wird mit jeder des rechten multipliziert.

Beispiel: zwei getrennte Qubits werden eine Liste

Linkes QubitRechtes Qubit00011011
[1, 0][1, 0]1000
[0, 1][1, 0]0010
[0,707, 0,707][1, 0]0,70700,7070
[0,6, 0,8][0,6, 0,8]0,360,480,480,64

Die Zellen, die Lernende ausfüllen, bleiben in dieser Vorschau leer.

X auf das linke Qubit

Befehl
docker exec jupyter python3 -c "from qsim import *; show(apply(X, zero(2), 0))"

Hier angezeigt, nicht ausgeführt. Erstellen Sie ein kostenloses Konto, um „Ausführen“ zu drücken und ihn im Terminal Ihres eigenen Labs einzugeben.

Das CNOT-Gatter kehrt das zweite Qubit um

Das CNOT-Gatter hat zwei Qubits als Eingang. Das erste ist die Steuerung, das zweite das Ziel. Ist die Steuerung 1, kehrt CNOT das Ziel um. Ist sie 0, bleibt alles, wie es ist.

Auf der Liste der vier Amplituden vertauscht es nur die Einträge 10 und 11.

Beispiel: CNOT auf den vier Wörtern

EingangAusgangWarum
0000Steuerung ist 0
0101Steuerung ist 0
1011Steuerung ist 1, Ziel kehrt um
1110Steuerung ist 1, Ziel kehrt um

Die Zellen, die Lernende ausfüllen, bleiben in dieser Vorschau leer.

CNOT auf den Zustand 10

Befehl
docker exec jupyter python3 -c "from qsim import *; show(CNOT @ apply(X, zero(2), 0))"

Hier angezeigt, nicht ausgeführt. Erstellen Sie ein kostenloses Konto, um „Ausführen“ zu drücken und ihn im Terminal Ihres eigenen Labs einzugeben.

H und CNOT bauen einen Bell-Zustand

Wenden Sie H auf das linke Qubit an. Es entsteht 0.707|00> + 0.707|10>. Dann kommt CNOT. Es vertauscht 10 und 11, aus 10 wird 11.

Das Ergebnis heißt Bell-Zustand: 0.707|00> + 0.707|11>. Es gibt nur zwei Ergebnisse, 00 und 11. Die Ergebnisse 01 und 10 haben die Amplitude 0.

Den Bell-Zustand bauen und messen

Befehl
docker exec jupyter python3 steps/bell.py

Hier angezeigt, nicht ausgeführt. Erstellen Sie ein kostenloses Konto, um „Ausführen“ zu drücken und ihn im Terminal Ihres eigenen Labs einzugeben.

Ein Bell-Zustand lässt sich nicht trennen

Ein Produktzustand mit den Einträgen a, b, c, d erfüllt immer: a mal d ist gleich b mal c. Das folgt aus dem Tensorprodukt.

Beim Bell-Zustand ist a mal d gleich 0,5, aber b mal c gleich 0. Die Regel ist gebrochen. Darum gibt es keine zwei getrennten Qubits, die ihn erzeugen: Er ist verschränkt.

Ein häufiger Fehler

Warnung

Viele glauben, verschränkte Qubits schickten einander Nachrichten. Das stimmt nicht. Jedes Qubit für sich liefert eine zufällige 0 oder 1. Erst wenn man beide Listen vergleicht, sieht man, dass sie immer übereinstimmen.

Über dieses Lab und seinen Quellcode: Quantensimulator-Lab: Qubits, Gatter und Messung in JupyterLab

Sie unterrichten eine Gruppe? Weisen Sie dieses Modul Ihren Studierenden zu, mit Handbuch für Lehrende, automatisch geprüften Aufgaben und einem Lab für jede Person.