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Quanteninterferenz

Nach dieser Lektion: Ich kann mit den Gattern H, Z und H zeigen, wie sich eine falsche Antwort auslöscht.

Lektion, 60 Min.3 BefehleQuantensimulator-Lab: Qubits, Gatter und Messung in JupyterLab

Was ist Interferenz bei Qubits?

Interferenz bedeutet, dass sich Amplituden addieren und dabei einander aufheben oder verstärken können. Wenn Sie das verstehen, wissen Sie, wie ein Quantenprogramm falsche Antworten unwahrscheinlich und die richtige wahrscheinlich macht.

Das ist die eigentliche Rechenidee hinter Quantenalgorithmen. Sie lässt sich mit drei Gattern und ein paar Zahlen von Hand nachrechnen.

Am Ende dieser Lektion

Notiz

Ich kann mit den Gattern H, Z und H zeigen, wie sich eine falsche Antwort auslöscht.

Schlüsselwörter

BegriffWas er bedeutetBeispiel
Interferenzdas Zusammenwirken von Amplituden beim Addieren
Auslöschungzwei Amplituden mit gleichem Betrag und verschiedenem Vorzeichen ergeben 0
Verstärkungzwei Amplituden mit gleichem Vorzeichen addieren sich
VorzeichenPlus oder Minus vor einer Amplitude-0.707
Wegeine Folge von Zuständen von Anfang bis Ende

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Zwei Münzwürfe löschen nichts aus

Wirft man zweimal hintereinander eine Münze, bleibt das Ergebnis zufällig. Wahrscheinlichkeiten sind nie negativ, darum können sie sich nie aufheben.

Amplituden dürfen negativ sein. Das ist der ganze Unterschied. Zwei Amplituden mit gleichem Betrag und verschiedenem Vorzeichen ergeben zusammen 0.

Beispiel: H zweimal auf „sicher 0“

SchrittAmplitude für 0Amplitude für 1
Start10
Nach dem ersten H0,7070,707
Zweites H, Amplitude 00,707 mal 0,707 plus 0,707 mal 0,707 gleich 1
Zweites H, Amplitude 10,707 mal 0,707 minus 0,707 mal 0,707 gleich 0

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H zweimal, dann H, Z, H

Befehl
docker exec jupyter python3 steps/interfere.py

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Das Z zwischen zwei H dreht das Ergebnis

Setzen Sie ein Z-Gatter zwischen zwei H-Gatter. Das Z kehrt das Vorzeichen der zweiten Amplitude um, und das zweite H addiert nun anders.

Jetzt löscht sich die Amplitude für 0 aus und die für 1 verstärkt sich. Aus „sicher 0“ wird „sicher 1“, obwohl die Chancen nach dem Z noch 0,5 und 0,5 sind.

Beispiel: die zwei Wege zum Ergebnis 0

WegFaktorenBeitrag
Über 0 in der Mitte0,707 mal 1 mal 0,707+0,5
Über 1 in der Mitte0,707 mal -1 mal 0,707-0,5
Summe für das Ergebnis 0+0,5 plus -0,50

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Die Chancen nach H und H

Befehl
docker exec jupyter python3 -c "from qsim import *; print(probabilities(apply(H, apply(H, zero(1), 0), 0)).round(3))"

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Hundert Schüsse nach H, Z und H

Befehl
docker exec jupyter python3 -c "from qsim import *; print(measure(apply(H, apply(Z, apply(H, zero(1), 0), 0), 0), 100, 1))"

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Ein häufiger Fehler

Warnung

Viele glauben, ein Quantencomputer addiere Wahrscheinlichkeiten wie eine Münze. Das stimmt nicht. Er addiert zuerst die Amplituden, mit ihren Vorzeichen, und quadriert erst danach. Darum können sich Wege aufheben.

Interferenz steuert die Chancen

Ein Quantenprogramm ist ein Netz aus Wegen. Jedes Ergebnis ist auf mehreren Wegen erreichbar, und die Beiträge werden addiert, jeder mit seinem Vorzeichen.

Das Ziel ist, die Gatter so zu wählen, dass sich die Wege zur falschen Antwort aufheben und die zur richtigen verstärken. Das gelingt nur mit Wissen über das Problem.

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

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