Quantum Computing verstehen: Grundlagen – Anwendungen – Perspektiven
Gespeichert in:
1. Verfasser: | |
---|---|
Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2022]
|
Ausgabe: | 6., erweiterte und überarbeitete Auflage |
Schriftenreihe: | Computational Intelligence
|
Schlagworte: | |
Online-Zugang: | Inhaltstext http://www.springer.com/ Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
Beschreibung: | XIII, 336 Seiten Illustrationen, Diagramme |
ISBN: | 9783658364335 |
Internformat
MARC
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INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT
XI
1
EINLEITUNG
1
1.1
EINE
NEUE
ART
DES
RECHNENS
.
1
1.2
UEBER
DIESES
BUCH
.
8
2
VOM
BIT
ZUM
QUANTENREGISTER
9
2.1
WAS
IST
EINE
BERECHNUNG?
.
10
2.1.1
DIE
TURINGMASCHINE
.
13
2.1.2
SCHALTKREISE
.
14
2.1.3
DER
SPRUNG
IN
DIE
QUANTENWELT:
SCHROEDINGERS
KATZE
.
17
2.2
DAS
QUANTENBIT
.
20
2.3
RECHENSCHRITTE
AUF
EINEM
QUANTENBIT
.
23
2.4
DER
ERSTE
ALGORITHMUS:
EIN
ZUFALLSGENERATOR
.
26
2.5
QUANTEN
REGISTER
.
28
2.6
DER
ZWEITE
ALGORITHMUS:
DAS
PROBLEM
VON
DEUTSCH
.
33
2.7
DIE
ROLLE
DES
TENSORPRODUKTS
.
37
2.8
DAS
MESSEN
VON
QUANTENREGISTERN
.
44
2.9
NOCH
EINMAL
DAS
PROBLEM
VON
DEUTSCH
.
50
2.10
BESTANDSAUFNAHME:
DIE
DREI
PRINZIPIEN
DES
QUANTUM
COMPUTING
51
2.11
VERSCHRAENKUNG
.
53
2.12
DIE
HADAMARD-TRANSFORMATION
UND
MEHRERE
BITS
.
59
2.13
DER
ALGORITHMUS
VON
DEUTSCH-JOZSA
.
62
3
VOM
QUANTENREGISTER
ZUM
QUANTENSCHALTKREIS
67
3.1
LAUFZEIT
.
68
3.2 KLASSISCHE
SCHALTKREISE
UND
KOMPLEXITAET
.
74
3.3
QUANTENGATTER
UND
QUANTENSCHALTKREISE
.
76
3.4
QUANTENBITS
KOPIEREN:
DAS
NO-CLONING-THEOREM
.
81
3.5
UMKEHRBARE
BERECHNUNGEN
.
83
3.6
UNTERSCHEIDBARE
ZUSTAENDE
.
92
3.7
GESTOERTE
BERECHNUNGEN
.
95
4
HILFSMITTEL
AUS
DER
THEORETISCHEN
INFORMATIK
99
4.1
KOMPLEXITAETSKLASSEN
.
99
4.2
RANDOMISIERTE
ALGORITHMEN
.
104
4.2.1
MIT
DEM
ZUFALL
RECHNEN
.
104
4.2.2
EIN
PRIMZAHLTEST
.
105
VIII
INHALTSVERZEICHNIS
4.2.3
PROBABILISTISCHE
KOMPLEXITAETSKLASSEN
.
107
4.3
UNLOESBARE
PROBLEME?
NP-VOLLSTAENDIGKEIT
.
111
4.4
QUANTENKOMPLEXITAETSTHEORIE
.
116
4.5
DIE
CHURCHSCHE
THESE
.
119
5
TELEPORTATION
UND
DICHTE
KODIERUNG
123
5.1
QUANTENTELEPORTATION
.
125
5.2
DICHTE
KODIERUNG
.
130
5.3
VERSCHRAENKTE
BITS
.
132
6
SUCHEN
135
6.1
DIE
NADEL
IM
HEUHAUFEN
.
136
6.2
DIE
GROVER-ITERATION
.
138
6.3
EINE
GEOMETRISCHE
VERANSCHAULICHUNG
.
144
6.4
VARIANTEN
DER
QUANTENSUCHE
.
151
6.4.1
SUCHE
NACH
EINER
VON
MEHREREN
LOESUNGEN
.
151
6.4.2
SUCHE
BEI
UNBEKANNT
VIELEN
LOESUNGEN
.
153
6.4.3
DIE
SUCHE
NACH
DEM
MINIMUM
.
154
6.4.4
ZAEHLEN
.
157
6.5
ANWENDUNGEN
VON
GROVERS
ALGORITHMUS
.
157
6.6
GROVERS
ALGORITHMUS
IST
VON
OPTIMALER
GROESSENORDNUNG
.
159
6.7
FOLGEN
FUER
DIE
FAEHIGKEITEN
VON
QUANTENCOMPUTERN
.
164
7
GEHEIME
BOTSCHAFTEN
167
7.1
ALICE,
BOB
UND
EVE
.
168
7.2
QUANTENVERSCHLUESSELUNG:
DAS
BB84-PROTOKOLL
.
172
7.3
LAUSCHSTRATEGIEN
.
180
7.4
QUANTENVERSCHLUESSELUNG
MIT
VERSCHRAENKUNG
.
185
8
KLASSISCHE
VERSCHLUESSELUNGEN
KNACKEN:
PRIMFAKTORZERLEGUNG
191
8.1
FAKTORISIERUNG
UND
VERSCHLUESSELUNG:
RSA-KRYPTOGRAPHIE
.
.
.
192
8.2
DIE
SUCHE
NACH
PERIODEN
.
197
8.3
DIE
SCHNELLE
FOURIERTRANSFORMATION
.
204
8.4
DIE
QUANTEN-FOURIERTRANSFORMATION
.
212
8.5
SIMONS
ALGORITHMUS
.
216
8.6
SHORS
ALGORITHMUS
.
221
8.7
JENSEITS
VON
SHOR
.
229
9
FEHLER
KORRIGIEREN
235
9.1
DEKOHAERENZ
UND
FEHLER
AUF
QUANTENBITS
.
235
9.2
KLASSISCHE
FEHLERKORREKTUR
.
240
9.3
HERAUSFORDERUNGEN
BEI
DER
KORREKTUR
VON
QUANTENBITS
.
240
9.4
QUBITS
GEGEN
FEHLER
SICHERN
.
241
9.4.1
BITFLIP-CODE
MIT
SYNDROM:
KORREKTUR
DES
CODEWORDS
241
9.4.2
DER
BITFLIP-CODE:
KORREKTUR
DES
DATENBITS
.
243
9.4.3
KORREKTUR
VON
PHASEFLIPS
.
244
9.5
SHORS
9-QUBIT-CODE
.
245
9.6
AUSBLICK
.
248
INHALTSVERZEICHNIS
IX
10
QUANTENHARDWARE
251
10.1
ANFORDERUNGEN
.
251
10.2
PHOTONEN
.
253
10.2.1
MACH-ZEHNDER-INTERFEROMETER
.
253
10.2.2
ZUFALLSZAHLEN
.
256
10.2.3
KRYPTOGRAPHIE
.
257
10.3
KERNSPINRESONANZ
.
261
10.4
LONENFALLEN
.
263
10.5
EINWEGBERECHNUNGEN
MIT
CLUSTERZUSTAENDEN
.
264
10.6
SUPRALEITER
.
267
11
AUSBLICK:
OPTIMIEREN
271
11.1
ADIABATISCHE
QUANTENCOMPUTER
.
271
11.2
QUANTUM
ANNEALING
.
274
12
ZUR
GESCHICHTE
DER
QUANTENMECHANIK
281
12.1
MAX
PLANCK:
DAS
QUANTUM
DER
WIRKUNG
.
281
12.2
ALBERT
EINSTEIN:
SPUKHAFTE
FERNWIRKUNG
.
283
12.3
NIELS
BOHR:
KOPENHAGEN
.
284
12.4
WERNER
HEISENBERG:
EIN
GROSSES
QUANTENEI
.
287
12.5
ERWIN
SCHROEDINGER:
KATZEN
UND
WELLEN
.
289
12.6
SCHLAGLICHTER
DER
GESCHICHTE
DES
QUANTENCOMPUTERS
.
290
A
MATHEMATISCHE
GRUNDLAGEN
293
A.L
KOMPLEXE
ZAHLEN
.
293
A.2
VEKTORRAEUME
.
295
A.2.1
WAS
SIND
VEKTORRAEUME?
.
295
A.2.2
BASEN
UND
UNTERRAEUME
.
297
A.2.3
WINKEL
UND
ABSTAENDE
IN
EINEM
VEKTORRAUM
.
298
A.2.4
PROJEKTIONEN
.
300
A.3
MATRIZEN
.
301
A.4
KOMBINATORIK
UND
WAHRSCHEINLICHKEIT
.
303
A.5
GANZE
ZAHLEN
.
305
A.5.1
TEILER
UND
VIELFACHE
.
305
A.5.2
MODULARES
RECHNEN
.
305
A.5.3
ZUR
DIVISION
.
307
B
LOESUNGEN
AUSGEWAEHLTER
UEBUNGSAUFGABEN
309
LITERATUR
320
SYMBOLE
UND
ABKUERZUNGEN
329
QUANTENGATTER
330
NAMEN
UND
SACHWORTVERZEICHNIS
331
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Eine neue Art des Rechnens. 1.2 Über dieses Buch . 2 Vom Bit zum Quantenregister 2.1 Was ist eine Berechnung?. 2.1.1 Die Turingmaschine. 2.1.2 Schaltkreise. 2.1.3 Der Sprung in die Quantenwelt: Schrödingers Katze . 2.2 Das Quantenbit. 2.3 Rechenschritte auf einem Quantenbit. 2.4 Der erste Algorithmus: Ein Zufallsgenerator. 2.5 Quantenregister. 2.6 Der zweite Algorithmus: Das Problem von Deutsch. 2.7 Die Rolle des Tensorprodukts. 2.8 Das Messen von Quantenregistern . 2.9 Noch einmal das Problem von Deutsch. 2.10 Bestandsaufnahme: Die drei Prinzipien des Quantum Computing 2.11 Verschränkung. 2.12 Die Hadamard-Transformation und mehrereBits. 2.13 Der Algorithmus von Deutsch-Jozsa . 3 Vom Quantenregister zum Quantenschaltkreis 3.1 Laufzeit
. 3.2 Klassische Schaltkreise und Komplexität. 3.3 Quantengatter und Quantenschaltkreise. 3.4 Quantenbits kopieren: Das No-Cloning-Theorem. 3.5 Umkehrbare Berechnungen. 3.6 Unterscheidbare Zustände. 3.7 Gestörte Berechnungen. 4 XI 1 1 8 9 10 13 14 17 20 23 26 28 33 37 44 50 51 53 59 62 67 68 74 76 81 83 92 95 Hilfsmittel aus der Theoretischen Informatik 99 4.1 Komplexitätsklassen. 99 4.2 Randomisierte Algorithmen. 104 4.2.1 Mit dem Zufall rechnen. 104 4.2.2 Ein Primzahltest. 105
Inhaltsverzeichnis VIII 4.3 4.4 4.5 5 Teleportation und dichte Kodierung 5.1 5.2 5.3 б 6.5 6.6 6.7 8 9 9.5 9.6 191 Faktorisierung und Verschlüsselung:RSA-Kryptographie . . 192 Die Suche nach Perioden. 197 Die schnelle Fouriertransformation. 204 Die Quanten-Fouriertransformation. 212 Simons Algorithmus. 216 Shors Algorithmus.221 Jenseits von Shor. 229 Fehler korrigieren 9.1 9.2 9.3 9.4 167 Alice, Bob und Eve. 168 Quantenverschlüsselung: das BB84-Protokoll. 172 Lauschstrategien. 180 Quantenverschlüsselung mit Verschränkung .185 Klassische Verschlüsselungen knacken:Primfaktorzerlegung 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 135 Die Nadel im Heuhaufen . 136 Die Grover-Iteration. 138 Eine geometrische Veranschaulichung. 144 Varianten der Quantensuche . 151 6.4.1 Suche nach einer von mehreren
Lösungen. 151 6.4.2 Suche bei unbekannt vielen Lösungen . 153 6.4.3 Die Suche nach dem Minimum. 154 6.4.4 Zählen. 157 Anwendungen von Grovers Algorithmus . 157 Grovers Algorithmus ist von optimaler Größenordnung . 159 Folgen für die Fähigkeiten von Quantencomputern. 164 Geheime Botschaften 7.1 7.2 7.3 7.4 123 Quantenteleportation. 125 Dichte Kodierung. 130 Verschränkte Bits. 132 Suchen 6.1 6.2 6.3 6.4 7 4.2.3 Probabilistische Komplexitätsklassen. 107 Unlösbare Probleme? NP-Vollständigkeit. 111 Quantenkomplexitätstheorie. 116 Die Churchsche These. 119 235 Dekohärenz und Fehler auf Quantenbits. 235 Klassische Fehlerkorrektur. 240 Herausforderungen bei der Korrektur von Quantenbits . 240 Qubits gegen Fehler sichern. 241 9.4.1 Bitflip-Code mit Syndrom: Korrektur des Codewords 241 9.4.2 Der Bitflip-Code: Korrektur des
Datenbits. 243 9.4.3 Korrektur von Phaseflips. 244 Shors 9-Qubit-Code.245 Ausblick. 248
IX Inhaltsverzeichnis 10 Quantenhardware 251 10.1 Anforderungen. 251 10.2 Photonen . 253 10.2.1 Mach-Zehnder-Interferometer. 253 10.2.2 Zufallszahlen. 256 10.2.3 Kryptographie. 257 10.3 Kernspinresonanz. 261 10.4 lonenfallen. 263 10.5 Einwegberechnungenmit Clusterzuständen. 264 10.6 Supraleiter. 267 11 Ausblick: Optimieren 271 11.1 Adiabatische Quantencomputer. 271 11.2 Quantum Annealing. 274 12 Zur Geschichte der Quantenmechanik 281 12.1 Max Planck: das Quantum der Wirkung. 281 12.2 Albert Einstein: Spukhafte Fernwirkung . 283 12.3 Niels Bohr: Kopenhagen. 284 12.4 Werner Heisenberg: Ein großes Quantenei. 287 12.5 Erwin Schrödinger: Katzen und Wellen. 289 12.6 Schlaglichter der Geschichte des
Quantencomputers. 290 A Mathematische Grundlagen 293 A.l Komplexe Zahlen . 293 A.2 Vektorräume. 295 A.2.1 Was sind Vektorräume?. 295 A.2.2 Basen und Unterräume. 297 A.2.3 Winkel und Abstände ineinem Vektorraum . 298 A.2.4 Projektionen. 300 A.3 Matrizen. 301 A.4 Kombinatorik undWahrscheinlichkeit. 303 A.5 Ganze Zahlen . 305 A.5.1 Teiler und Vielfache.305 A.5.2 Modulares Rechnen. 305 A.5.3 Zur Division. 307 В Lösungen ausgewählter Übungsaufgaben 309 Literatur 320 Symbole und Abkürzungen 329 Quantengatter 330 Namen- und Sachwortverzeichnis 331 |
adam_txt |
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT
XI
1
EINLEITUNG
1
1.1
EINE
NEUE
ART
DES
RECHNENS
.
1
1.2
UEBER
DIESES
BUCH
.
8
2
VOM
BIT
ZUM
QUANTENREGISTER
9
2.1
WAS
IST
EINE
BERECHNUNG?
.
10
2.1.1
DIE
TURINGMASCHINE
.
13
2.1.2
SCHALTKREISE
.
14
2.1.3
DER
SPRUNG
IN
DIE
QUANTENWELT:
SCHROEDINGERS
KATZE
.
17
2.2
DAS
QUANTENBIT
.
20
2.3
RECHENSCHRITTE
AUF
EINEM
QUANTENBIT
.
23
2.4
DER
ERSTE
ALGORITHMUS:
EIN
ZUFALLSGENERATOR
.
26
2.5
QUANTEN
REGISTER
.
28
2.6
DER
ZWEITE
ALGORITHMUS:
DAS
PROBLEM
VON
DEUTSCH
.
33
2.7
DIE
ROLLE
DES
TENSORPRODUKTS
.
37
2.8
DAS
MESSEN
VON
QUANTENREGISTERN
.
44
2.9
NOCH
EINMAL
DAS
PROBLEM
VON
DEUTSCH
.
50
2.10
BESTANDSAUFNAHME:
DIE
DREI
PRINZIPIEN
DES
QUANTUM
COMPUTING
51
2.11
VERSCHRAENKUNG
.
53
2.12
DIE
HADAMARD-TRANSFORMATION
UND
MEHRERE
BITS
.
59
2.13
DER
ALGORITHMUS
VON
DEUTSCH-JOZSA
.
62
3
VOM
QUANTENREGISTER
ZUM
QUANTENSCHALTKREIS
67
3.1
LAUFZEIT
.
68
3.2 KLASSISCHE
SCHALTKREISE
UND
KOMPLEXITAET
.
74
3.3
QUANTENGATTER
UND
QUANTENSCHALTKREISE
.
76
3.4
QUANTENBITS
KOPIEREN:
DAS
NO-CLONING-THEOREM
.
81
3.5
UMKEHRBARE
BERECHNUNGEN
.
83
3.6
UNTERSCHEIDBARE
ZUSTAENDE
.
92
3.7
GESTOERTE
BERECHNUNGEN
.
95
4
HILFSMITTEL
AUS
DER
THEORETISCHEN
INFORMATIK
99
4.1
KOMPLEXITAETSKLASSEN
.
99
4.2
RANDOMISIERTE
ALGORITHMEN
.
104
4.2.1
MIT
DEM
ZUFALL
RECHNEN
.
104
4.2.2
EIN
PRIMZAHLTEST
.
105
VIII
INHALTSVERZEICHNIS
4.2.3
PROBABILISTISCHE
KOMPLEXITAETSKLASSEN
.
107
4.3
UNLOESBARE
PROBLEME?
NP-VOLLSTAENDIGKEIT
.
111
4.4
QUANTENKOMPLEXITAETSTHEORIE
.
116
4.5
DIE
CHURCHSCHE
THESE
.
119
5
TELEPORTATION
UND
DICHTE
KODIERUNG
123
5.1
QUANTENTELEPORTATION
.
125
5.2
DICHTE
KODIERUNG
.
130
5.3
VERSCHRAENKTE
BITS
.
132
6
SUCHEN
135
6.1
DIE
NADEL
IM
HEUHAUFEN
.
136
6.2
DIE
GROVER-ITERATION
.
138
6.3
EINE
GEOMETRISCHE
VERANSCHAULICHUNG
.
144
6.4
VARIANTEN
DER
QUANTENSUCHE
.
151
6.4.1
SUCHE
NACH
EINER
VON
MEHREREN
LOESUNGEN
.
151
6.4.2
SUCHE
BEI
UNBEKANNT
VIELEN
LOESUNGEN
.
153
6.4.3
DIE
SUCHE
NACH
DEM
MINIMUM
.
154
6.4.4
ZAEHLEN
.
157
6.5
ANWENDUNGEN
VON
GROVERS
ALGORITHMUS
.
157
6.6
GROVERS
ALGORITHMUS
IST
VON
OPTIMALER
GROESSENORDNUNG
.
159
6.7
FOLGEN
FUER
DIE
FAEHIGKEITEN
VON
QUANTENCOMPUTERN
.
164
7
GEHEIME
BOTSCHAFTEN
167
7.1
ALICE,
BOB
UND
EVE
.
168
7.2
QUANTENVERSCHLUESSELUNG:
DAS
BB84-PROTOKOLL
.
172
7.3
LAUSCHSTRATEGIEN
.
180
7.4
QUANTENVERSCHLUESSELUNG
MIT
VERSCHRAENKUNG
.
185
8
KLASSISCHE
VERSCHLUESSELUNGEN
KNACKEN:
PRIMFAKTORZERLEGUNG
191
8.1
FAKTORISIERUNG
UND
VERSCHLUESSELUNG:
RSA-KRYPTOGRAPHIE
.
.
.
192
8.2
DIE
SUCHE
NACH
PERIODEN
.
197
8.3
DIE
SCHNELLE
FOURIERTRANSFORMATION
.
204
8.4
DIE
QUANTEN-FOURIERTRANSFORMATION
.
212
8.5
SIMONS
ALGORITHMUS
.
216
8.6
SHORS
ALGORITHMUS
.
221
8.7
JENSEITS
VON
SHOR
.
229
9
FEHLER
KORRIGIEREN
235
9.1
DEKOHAERENZ
UND
FEHLER
AUF
QUANTENBITS
.
235
9.2
KLASSISCHE
FEHLERKORREKTUR
.
240
9.3
HERAUSFORDERUNGEN
BEI
DER
KORREKTUR
VON
QUANTENBITS
.
240
9.4
QUBITS
GEGEN
FEHLER
SICHERN
.
241
9.4.1
BITFLIP-CODE
MIT
SYNDROM:
KORREKTUR
DES
CODEWORDS
241
9.4.2
DER
BITFLIP-CODE:
KORREKTUR
DES
DATENBITS
.
243
9.4.3
KORREKTUR
VON
PHASEFLIPS
.
244
9.5
SHORS
9-QUBIT-CODE
.
245
9.6
AUSBLICK
.
248
INHALTSVERZEICHNIS
IX
10
QUANTENHARDWARE
251
10.1
ANFORDERUNGEN
.
251
10.2
PHOTONEN
.
253
10.2.1
MACH-ZEHNDER-INTERFEROMETER
.
253
10.2.2
ZUFALLSZAHLEN
.
256
10.2.3
KRYPTOGRAPHIE
.
257
10.3
KERNSPINRESONANZ
.
261
10.4
LONENFALLEN
.
263
10.5
EINWEGBERECHNUNGEN
MIT
CLUSTERZUSTAENDEN
.
264
10.6
SUPRALEITER
.
267
11
AUSBLICK:
OPTIMIEREN
271
11.1
ADIABATISCHE
QUANTENCOMPUTER
.
271
11.2
QUANTUM
ANNEALING
.
274
12
ZUR
GESCHICHTE
DER
QUANTENMECHANIK
281
12.1
MAX
PLANCK:
DAS
QUANTUM
DER
WIRKUNG
.
281
12.2
ALBERT
EINSTEIN:
SPUKHAFTE
FERNWIRKUNG
.
283
12.3
NIELS
BOHR:
KOPENHAGEN
.
284
12.4
WERNER
HEISENBERG:
EIN
GROSSES
QUANTENEI
.
287
12.5
ERWIN
SCHROEDINGER:
KATZEN
UND
WELLEN
.
289
12.6
SCHLAGLICHTER
DER
GESCHICHTE
DES
QUANTENCOMPUTERS
.
290
A
MATHEMATISCHE
GRUNDLAGEN
293
A.L
KOMPLEXE
ZAHLEN
.
293
A.2
VEKTORRAEUME
.
295
A.2.1
WAS
SIND
VEKTORRAEUME?
.
295
A.2.2
BASEN
UND
UNTERRAEUME
.
297
A.2.3
WINKEL
UND
ABSTAENDE
IN
EINEM
VEKTORRAUM
.
298
A.2.4
PROJEKTIONEN
.
300
A.3
MATRIZEN
.
301
A.4
KOMBINATORIK
UND
WAHRSCHEINLICHKEIT
.
303
A.5
GANZE
ZAHLEN
.
305
A.5.1
TEILER
UND
VIELFACHE
.
305
A.5.2
MODULARES
RECHNEN
.
305
A.5.3
ZUR
DIVISION
.
307
B
LOESUNGEN
AUSGEWAEHLTER
UEBUNGSAUFGABEN
309
LITERATUR
320
SYMBOLE
UND
ABKUERZUNGEN
329
QUANTENGATTER
330
NAMEN
UND
SACHWORTVERZEICHNIS
331
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Eine neue Art des Rechnens. 1.2 Über dieses Buch . 2 Vom Bit zum Quantenregister 2.1 Was ist eine Berechnung?. 2.1.1 Die Turingmaschine. 2.1.2 Schaltkreise. 2.1.3 Der Sprung in die Quantenwelt: Schrödingers Katze . 2.2 Das Quantenbit. 2.3 Rechenschritte auf einem Quantenbit. 2.4 Der erste Algorithmus: Ein Zufallsgenerator. 2.5 Quantenregister. 2.6 Der zweite Algorithmus: Das Problem von Deutsch. 2.7 Die Rolle des Tensorprodukts. 2.8 Das Messen von Quantenregistern . 2.9 Noch einmal das Problem von Deutsch. 2.10 Bestandsaufnahme: Die drei Prinzipien des Quantum Computing 2.11 Verschränkung. 2.12 Die Hadamard-Transformation und mehrereBits. 2.13 Der Algorithmus von Deutsch-Jozsa . 3 Vom Quantenregister zum Quantenschaltkreis 3.1 Laufzeit
. 3.2 Klassische Schaltkreise und Komplexität. 3.3 Quantengatter und Quantenschaltkreise. 3.4 Quantenbits kopieren: Das No-Cloning-Theorem. 3.5 Umkehrbare Berechnungen. 3.6 Unterscheidbare Zustände. 3.7 Gestörte Berechnungen. 4 XI 1 1 8 9 10 13 14 17 20 23 26 28 33 37 44 50 51 53 59 62 67 68 74 76 81 83 92 95 Hilfsmittel aus der Theoretischen Informatik 99 4.1 Komplexitätsklassen. 99 4.2 Randomisierte Algorithmen. 104 4.2.1 Mit dem Zufall rechnen. 104 4.2.2 Ein Primzahltest. 105
Inhaltsverzeichnis VIII 4.3 4.4 4.5 5 Teleportation und dichte Kodierung 5.1 5.2 5.3 б 6.5 6.6 6.7 8 9 9.5 9.6 191 Faktorisierung und Verschlüsselung:RSA-Kryptographie . . 192 Die Suche nach Perioden. 197 Die schnelle Fouriertransformation. 204 Die Quanten-Fouriertransformation. 212 Simons Algorithmus. 216 Shors Algorithmus.221 Jenseits von Shor. 229 Fehler korrigieren 9.1 9.2 9.3 9.4 167 Alice, Bob und Eve. 168 Quantenverschlüsselung: das BB84-Protokoll. 172 Lauschstrategien. 180 Quantenverschlüsselung mit Verschränkung .185 Klassische Verschlüsselungen knacken:Primfaktorzerlegung 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 135 Die Nadel im Heuhaufen . 136 Die Grover-Iteration. 138 Eine geometrische Veranschaulichung. 144 Varianten der Quantensuche . 151 6.4.1 Suche nach einer von mehreren
Lösungen. 151 6.4.2 Suche bei unbekannt vielen Lösungen . 153 6.4.3 Die Suche nach dem Minimum. 154 6.4.4 Zählen. 157 Anwendungen von Grovers Algorithmus . 157 Grovers Algorithmus ist von optimaler Größenordnung . 159 Folgen für die Fähigkeiten von Quantencomputern. 164 Geheime Botschaften 7.1 7.2 7.3 7.4 123 Quantenteleportation. 125 Dichte Kodierung. 130 Verschränkte Bits. 132 Suchen 6.1 6.2 6.3 6.4 7 4.2.3 Probabilistische Komplexitätsklassen. 107 Unlösbare Probleme? NP-Vollständigkeit. 111 Quantenkomplexitätstheorie. 116 Die Churchsche These. 119 235 Dekohärenz und Fehler auf Quantenbits. 235 Klassische Fehlerkorrektur. 240 Herausforderungen bei der Korrektur von Quantenbits . 240 Qubits gegen Fehler sichern. 241 9.4.1 Bitflip-Code mit Syndrom: Korrektur des Codewords 241 9.4.2 Der Bitflip-Code: Korrektur des
Datenbits. 243 9.4.3 Korrektur von Phaseflips. 244 Shors 9-Qubit-Code.245 Ausblick. 248
IX Inhaltsverzeichnis 10 Quantenhardware 251 10.1 Anforderungen. 251 10.2 Photonen . 253 10.2.1 Mach-Zehnder-Interferometer. 253 10.2.2 Zufallszahlen. 256 10.2.3 Kryptographie. 257 10.3 Kernspinresonanz. 261 10.4 lonenfallen. 263 10.5 Einwegberechnungenmit Clusterzuständen. 264 10.6 Supraleiter. 267 11 Ausblick: Optimieren 271 11.1 Adiabatische Quantencomputer. 271 11.2 Quantum Annealing. 274 12 Zur Geschichte der Quantenmechanik 281 12.1 Max Planck: das Quantum der Wirkung. 281 12.2 Albert Einstein: Spukhafte Fernwirkung . 283 12.3 Niels Bohr: Kopenhagen. 284 12.4 Werner Heisenberg: Ein großes Quantenei. 287 12.5 Erwin Schrödinger: Katzen und Wellen. 289 12.6 Schlaglichter der Geschichte des
Quantencomputers. 290 A Mathematische Grundlagen 293 A.l Komplexe Zahlen . 293 A.2 Vektorräume. 295 A.2.1 Was sind Vektorräume?. 295 A.2.2 Basen und Unterräume. 297 A.2.3 Winkel und Abstände ineinem Vektorraum . 298 A.2.4 Projektionen. 300 A.3 Matrizen. 301 A.4 Kombinatorik undWahrscheinlichkeit. 303 A.5 Ganze Zahlen . 305 A.5.1 Teiler und Vielfache.305 A.5.2 Modulares Rechnen. 305 A.5.3 Zur Division. 307 В Lösungen ausgewählter Übungsaufgaben 309 Literatur 320 Symbole und Abkürzungen 329 Quantengatter 330 Namen- und Sachwortverzeichnis 331 |
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