Black Box Algorithmen Hartmut Klauck Universität Frankfurt SS 05 1.6.
Quantum Computing Hartmut Klauck Universität Frankfurt WS 05/06 7.11.
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Quantum Computing
Hartmut KlauckUniversität FrankfurtWS 05/067.11.
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Unterscheidbarkeit von Zuständen Gegeben: Menge von Zuständen
S={ |1 i ,…, |ki } (bekannt) Input: Ein Zustand aus S Ausgabe: Index i des Zustandes Identifikationsproblem
Zustände in S paarweise orthogonal:Problem perfekt lösbar: konstruiere Observable mit Unterräumen Si=span(|ii), Projektoren |iihi|
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Unterscheidbarkeit nichtorthogonaler Zustände
Sei S={ |i , |i } mit h | i 0 Gibt es eine Messung, die das
Identifikationsproblem löst? |i = |i + |i mit = h|i Messung ist Projektion, d.h. linear, d.h.
”-Anteil” von |i benimmt sich wie |i Mit Wahrscheinlichkeit |h|i|2 wird auf
Eingabe |i die Ausgabe erzeugt(wenn auf |i immer ausgegeben wird)
Also wird das Problem nicht ohne Fehler gelöst
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Was ist „nichtklassisch“ an der Quantentheorie ? Phänomene der klassischen Physik können im
Prinzip vollständig berechnet werden Beispiel: Wurf eines Würfels, Beschreibung als
Wahrscheinlichkeitsverteilung ist „unvollständig“ Quantenmechanik liefert nur probabilistische
Beschreibungen
Gott würfelt nicht
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Was ist „nichtklassisch“ an der Quantentheorie ? [Einstein Podolsky Rosen 35] behaupteten, die
Quantenmechanik sei unvollständig In dem Sinn, dass eine tieferliegende klassische
Theorie probabilistische Vorhersagen eliminieren kann, indem sie bisher unbekannte physikalische Parameter ins Spiel bringt
Der Zustand, 1/21/2 (|00i+|11i), wenn auf zwei räumlich getrennten Qubits gemessen weist „spukhafte Fernwirkungen“ auf (verhält sich wie zwei perfekt korrelierte Würfel, die zu weit entfernt sind, um zu „kommunizieren“)
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Quantentheorie vs. Lokal Realistische Theorien Physikalische Theorie ist
lokal, wenn räumlich getrennte Systeme sich nicht direkt beeinflussen
realistisch, wenn direkt vor einer Messung eine zu messende Eigenschaft im Prinzip mit Sicherheit vorhersehbar ist,d.h. „objektiv“ vorhanden ist
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Bellsche Ungleichung
Zwei Partikel werden von Charlie an Alice und Bob weitergereicht (in irgendeinem Zustand)
Alice und Bob sind räumlich getrennt Partikel für Alice hat Eigenschaften EQ und ER
mit Werten Q und R Partikel für Alice hat Eigenschaften ES und ET
mit Werten S und T Werte der Eigenschaften sind „objektiv“, d.h.
werden durch Messung nur festgestellt Q,R,S,T 2 {-1,1}
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Bellsche Ungleichung
Betrachte QS+RS+RT-QT = Q( S-T ) + R( S+T ) S-T=0 oder S+T=0, also QS+RS+RT-QT = § 2 Erwartung E[QS+RS+RT-QT] · 2 Zufallsexperiment hier: Charlies Präparierung der
Partikel, kein Zufall bei fester Präparierung Es gibt also Wahrscheinlichkeiten P(q,r,s,t), dass
das System die Eigenschaften Q=q, R=r, S=s, T=t direkt vor der Messung hat
Erwartung E[QS+RS+RT-QT] · 2 Linearität des Erwartungswertes:
E[QS]+E[RS]+E[RT]-E[QT] · 2
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Bellsche Ungleichung
Voraussetzungen: Es gibt die Wahrscheinlichkeiten P(q,r,s,t) [Realismus], und die Messungen verlaufen kausal unabhängig [Lokalität]
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Messung von EPR Paaren
Zustand der zwei Partikel von Alice und Bob: 1/21/2 (|01i-|10i)
Es gibt eine Menge von vier Observablen, so dass E[QS]+E[RS]+E[RT]-E[QT] ¸ 2¢ 21/2
von QM vorhergesagt
Experimenteller Test entscheidet zu Gunsten von QM [Aspect 82]
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Versteckte Parameter
Ein klassisches Modell mit versteckten Parametern funktioniert so:
(implizit) Alice und Bob erhalten je ein präparieres Teilchen
(tatsächlich) Alice und Bob haben eine gemeinsame klassische Information (diese legt für alle möglichen Experimente auf je einem Teilchen den Wert aller Messergebnisse fest, also z.B. Experiment E auf Teilchen A ergibt Ergebnis 1 usw.). Bemerkung: in einer realistischen Theorie
existiert eine solche Liste Rest des Protokolls verläuft räumlich getrennt,
gleichzeitig, d.h. kausal unabhängig
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Versteckte Parameter
Aufgabe: Alice und Bob dürfen sich absprechen, danach ist
keine Kommunikation zwischen beiden erlaubt Alice und Bob erhalten dann je ein Zufallsbit x bzw. y Sie produzieren je eine Ausgabe: a,b Das Protokoll hat Erfolg, wenn xÆy = a©b
x,y geben eine zu messende Eigenschaft vor Wie gut kann ein Protokoll sein? Optimale Strategie: Beide geben immer 0 aus Erfolgswahrscheinlichkeit: 3/4
Wenn eine Theorie mit versteckten Parametern QM erklärt, sollten beide dasselbe vorhersagen, d.h. jedes Quantenexperiment sollte Erfolg · ¾ haben
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Ein Quantenprotokoll
Alice und Bob haben den Zustand 1/21/2 (|01i-|10i)
x=0, Alice misst (in der Standardbasis), Ausgabe des Ergebnisses
x=1, Alice rotiert mit
,misst, Ausgabe des Ergebnisses y=0, Bob misst, Ausgabe Komplement d. Ergebnisses y=1, Bob rotiert mit
,misst, Ausgabe Komplement d. Ergebnisses
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Rotationsgatter
Qubit |0i wird zu cos(/8) |0i - i sin(/8) |1i
Wahrscheinlichkeit von Messergebnis0 ist dann cos2(/8)
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Analyse
Fall 1: x=0, y=0; Messung Standardbasis, Ausgabe immer a,b mit a=b, also a©b=0,also immer korrekt
Fall 2: x=0, y=1; A) Alice misst a=0 (mit Ws. ½)Zustand ist |01iBob hat |1i, daher b=0 mit Ws. cos2(/8), Fehler also 1-cos2(/8)= sin2(/8)
B) Alice misst a=1, analog Fall 3: x=1, y=0; analog, Fehler sin2(/8)
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Analyse
Fall 4: x=y=1, gewünschte Ausgabe 1Alice und Bob rotieren vor der Messung
Alice rotiert -/8, Bob rotiert +/8 Leicht nachzurechnen, dass Messungen
nun unabhängig, Fehler also ½
Fehler gesamt:¼ (0 + 2¢sin2(/8) + 1/2) ¼ 0.2
Also ist der Fehler geringer als in jeder klassischen Theorie
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Zurück zum anderen Konzept R: Ergebnis Messung Standard Basis (§ 1) Q: Ergebnis Messung nach Rotation (§ 1)
S: Ergebnis Messung Standard Basis (§ 1) T: Ergebnis Messung nach Rotation (§ 1)
E[RS]=1, E[QS]=E[RT]=cos2(/8)E[QT]=1/2
Also E[RS]+E[QS]+E[RT]-E[QT]=1 + 2 cos2(/8) - 1/2 ¼ 2.2 > 2
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Ziele im Quantum Computing (Bauen eines Quantenrechners) Entwurf schneller Algorithmen Quantenkommunikation resp.
Kommunikation mit Hilfe von EPR-Paaren Quantenkryptographie Fehlertolerante Schaltkreise
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Was wir wissen
Quanteneffekte sind grundsätzlich verschieden von klassischer Physik
In Spielzeugproblemen (Deutsch Josza) schlagen Quantenrechner klassische Rechner
Geht das auch für wichtige Probleme? Kann man interessante Probleme effizient lösen? Kann man NP-vollständige Probleme effizient
lösen (auf QC)? Kann man nicht berechenbare Funktionen
berechnen??
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Berechnung durch Schaltkreise Klassische Schaltkreise: Eingaben x1,…,xn2{0,1}n
Gatter g1,…,gm Gatter: nimmt Eingaben oder vorherige Gatter,
berechnet Funktion {0,1}2{0,1} Ausgabe an gm Grösse: m (entspricht Rechenzeit) Basen (erlaubte Gatterfunktionen):
AND, OR, NOT NAND Alle 2-stelligen Booleschen Funktionen
Notwendige Grösse ändert sich mit Wahl der Basis nur um konstanten Faktor
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Probabilistische Schaltkreise Zusätzliche Eingaben e1,…,er
Für jede echte Eingabe x1,…,xn gilt: wenn e1,…,er uniform zufällige Bits sind,dann wird das richtige Ergebnis mit Wahrscheinlichkeit 2/3 berechnet
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Schaltkreisfamilien
Schaltkreis Cn funktioniert für Eingaben mit n Bits
Familie (Cn)n2 N
Kann unter dieser Definition nicht (durch Turingmaschinen) berechenbare Funktionen berechnen
Uniformitätskondition: Cn kann bei unärer Eingabe von n in polynomieller Zeit durch eine Turingmaschine berechnet werden
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Komplexitätsklassen
P : Klasse der Sprachen, die von uniformen Schaltkreisfamilien polynomieller Grösse berechenbar sind
BPP : dto. mit probabilistischen Schaltkreisen
Definitionen sind äquivalent zu Definitionen mit Turingmaschinen
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Fakten über Schaltkreise
Es ist bekannt, dass die meisten Funktionen {0,1}n{0,1} Schaltkreise der Grösse mindestens (2n/n) benötigen
Schranke ist dicht, d.h. jede Funktion f:{0,1}n{0,1} kann durch einen (nichtuniformen !) Schaltkreis der Grösse
(2n/n) berechnet werden Für keine konkrete Funktion ist eine
superlineare untere Schranke bekannt
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Exponentielle untere Schranke für die meisten Funktionen Anzahl der Funktionen {0,1}n {0,1}:
exp2(exp2(n)) Zeigen, dass es viel weniger Schaltkreise
gibt, die kleiner als exp2(n)/n sind Da jeder Schaltkreis nur eine Funktion
berechnet, gibt es für die meisten Funktionen nur grosse Schaltkreise
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Zählen aller Schaltkreise
m Gatter Für jedes Gatter können zwei Vorgänger
und eine Funktion gewählt werden Also höchstens (16 (m+n)2)m Schaltkreise Damit (16 (m+n)2)m ¸ exp2(exp2(n))/100 (8m)2m ¸ exp2(exp2(n))/100 2m log m +O(m) ¸ 2n-O(1) m=(2n/n)
Ähnliches gilt für probabilistische Schaltkreise
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Quantenschaltkreise
n Qubits initialisiert mit der Eingabe s Arbeitsqubits Unitäre Operationen auf zwei Qubits
U1,…,Um; zusammen mit Wahl der zwei Qubits
Operation Ui wird als Tensorprodukt mit der Identität auf den n+s-2 restlichen Qubits angewendet
Zu messendes Ausgabequbit sei fix
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Quantenschaltkreise
Uniforme Familien wie gehabt [hier gibt es noch momentan ein Problem mit der Beschreibung „beliebiger“ unitärer Transformationen, siehe einige Folien weiter]
Klasse BQP: durch uniforme Familien von Quantenschaltkreisen polynomieller Grösse berechenbare Funktionen, bei Fehlerwahrscheinlichkeit < 1/3
EQP: kein Fehler erlaubt Selbe Klassen durch (Quanten) Turingmaschinen
definierbar (siehe Gruskas Buch)