Messbasierte Quantenberechnung

Im Schaltkreismodell wird Quanteninformation durch das Anwenden von Gattern verarbeitet, die eine kohärente unitäre Entwicklung realisieren. Im Gegensatz dazu wird bei der messbasierten Quantenberechnung (MBQC) Information durch Sequenzen adaptiver Einzel-Qubit-Messungen verarbeitet, die an hochgradig verschränkten mehrteiligen Zuständen ausgeführt werden, den sogenannten Graphenzuständen. Die beiden Modelle sind äquivalent, das letztere hat jedoch kein klassisches Gegenstück und ist rein quantenmechanisch.

Der Hauptvorteil von MBQC liegt in seinen günstigen Architekturanforderungen für manche Plattformen. Anstatt Hunderte von Gattern anzuwenden, verlagert dieses Modell den Aufwand in den Schritt der Zustandspräparation, der offline ausgeführt werden kann. Danach benötigt die Berechnung nur noch Einzel-Qubit-Messungen, was allgemein als einfache Aufgabe gilt, sowie klassische Feed-Forward-Elektronik und Modulatoren, um die Adaptivität umzusetzen.

Das Funktionsprinzip dieses Schemas lässt sich als Verallgemeinerung der Quantenteleportation verstehen, eines Grundbausteins der Quanteninformationsverarbeitung, der 1993 eingeführt¹ und 1999 demonstriert wurde².

Quantenteleportation

Das Ziel der Quantenteleportation ist es, einen Quantenzustand von A (Alice) zu B (Bob) zu senden, die weit voneinander entfernt sein können und nur klassische Information übertragen dürfen. Genauer gesagt lautet der Quantenschaltkreis, der die Teleportation eines Zustands
bewerkstelligt, wie folgt:

Alice führt eine Bell-Messung an den Zuständen aus, die sie besitzt, dann teilt sie Bob das Ergebnis der Messung mit. Er überführt den Zustand, den er anfangs gespeichert hat, in , indem er Einzel-Qubit-Rotationen anwendet, die vom Messergebnis abhängen.

Anstatt ein Gatter direkt auf einen Zustand anzuwenden, kann man sich daher vorstellen, diesen Zustand mithilfe einer modifizierten gemeinsamen Ressource zu teleportieren. Genauer gesagt kann eine Operation entweder auf einen Zustand angewendet werden, oder dieser Zustand kann unter Verwendung des modifizierten Bell-Zustands teleportiert werden. Der Unterschied zum Standardansatz ist klar: Anstatt Operationen an unbekannten Zuständen auszuführen, genügt es, bekannte Zustände als Offline-Ressourcen zu konstruieren.

Footnotes

1. Bennett C H, Brassard G, Crépeau C, Jozsa R, Peres A and Wootters W K, 1993, Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein–Podolsky–Rosen channels, Phys. Rev. Lett. 70 1895–9 ↩

2. Bouwmeester D, Pan J-W, Mattle K, Eibl M, Weinfurter H and Zeilinger A, 1997, Experimental quantum teleportation, Nature, 390 575–9 ↩