Кіріспе
Кванттық ақпараттың негізгі бірлігі – кванттық есептеу бірлігі. Кванттық есептеуде кубит (/k//juː//b//ɪ//t/) немесе кванттық бит – кванттық ақпараттың негізгі бірлігі, классикалық екілік биттің кванттық нұсқасы, екі күйлі құрылғыда физикалық түрде іске асырылады. Кубит – екі күйлі (немесе екі деңгейлі) кванттық механикалық жүйе, кванттық механиканың ерекшелігін көрсететін ең қарапайым кванттық жүйелердің бірі. Мысалдарға электронның спині жатады, онда екі деңгейді жоғары және төмен спин ретінде қарастыруға болады; немесе бір фотонның поляризациясы, онда екі спиндік күй (сол және оң жақты дөңгелек поляризация) көлденең және тік сызықтық поляризация ретінде өлшенуі мүмкін. Классикалық жүйеде бит тек бір күйде болуы керек. Дегенмен, кванттық механика кубитке бірнеше күйдің сәйкес келуін (когерентті суперпозициясын) бір уақытта қабылдауға мүмкіндік береді, бұл кванттық механика мен кванттық есептеу үшін маңызды қасиет.
the quantum computing unit
In quantum computing, a qubit ('/k//juː//b//ɪ//t/) or quantum bit is a basic unit of quantum information—the quantum version of the classic binary bit physically realized with a two state device. A qubit is a two state (or two level) quantum mechanical system, one of the simplest quantum systems displaying the peculiarity of quantum mechanics. Examples include the spin of the electron in which the two levels can be taken as spin up and spin down; or the polarization of a single photon in which the two spin states (left handed and the right handed circular polarization) can also be measured as horizontal and vertical linear polarization. In a classical system, a bit would have to be in one state or the other. However, quantum mechanics allows the qubit to be in a coherent superposition of multiple states simultaneously, a property that is fundamental to quantum mechanics and quantum computing.
Этимология
Кубит терминін ойлап табу Бенджамин Шумахерге жатқызылады. 1995 жылғы мақаласының алғы сөзінде Шумахер кубит термині Уильям Вуттерспен болған сөйлесу кезінде әзіл ретінде туындағанын мәлімдейді.
Біт пен кубит арасындағы айырмашылық
0 немесе 1 ретінде сипатталатын бинарлық цифр классикалық компьютерлерде ақпаратты көрсету үшін қолданылады. Екі күйінің (0,1) орташасы алынғанда, бинарлық цифр Шеннон ақпаратының бір битіне дейін көрсете алады, мұнда бит – ақпараттың негізгі бірлігі. Дегенмен, осы мақалада "бит" сөзі бинарлық цифрмен мағынасы бірдей қолданылады. Классикалық компьютерлік технологияларда өңделген бит, төменгі тұрақты ток кернеуінің екі деңгейінің бірі арқылы іске асырылады. Ал осы екі деңгейдің бірінен екіншісіне ауысқанда, екі логикалық деңгей арасындағы "тыйым салынған аймақтан" мүмкіндігінше жылдам өтуі керек, себебі электр кернеуі бір деңгейден екінші деңгейге бірден өзгермейді. Кубитті өлшеудің екі мүмкін нәтижесі бар – әдетте "0" және "1" мәндерін қабылдайды, сияқты бит. Алайда, биттің күйі тек бинарлық (0 немесе 1) бола алады, ал кванттық механика бойынша кубиттің жалпы күйі – барлық есептелетін күйлердің бір мезгілде үйлесімді суперпозициясы болуы мүмкін. Сонымен қатар, классикалық битті өлшеу оның күйін өзгерте алмайды, ал кубитті өлшеу оның үйлесімділігін жояды және суперпозициялық күйді өзгерте алмай бұзады. Бір битті бір кубитке толыққанды кодтауға болады. Алайда, кубит көбірек ақпаратты сақтай алады, мысалы, супер тығыз кодтау арқылы екі битке дейін. n компоненттен тұратын жүйенің күйін классикалық физикада толық сипаттау үшін тек n бит қажет, ал кванттық физикада n кубиттен тұратын жүйеге 2n кешенді сан (немесе 2n өлшемді векторлық кеңістіктегі бір нүкте) қажет.
Кубиттік мемлекеттер
Таза кубиттік күй – негізгі күйлердің үйлесімді суперпозициясы. Бұл, бір кубиттің және арқылы сызықтық комбинациясымен сипатталуы мүмкін екенін білдіреді, мұнда α және β – ықтималдық амплитудалары, ал екеуі де комплекс сандар. Бұл кубитті стандартты негізде өлшегенде, Борн ережесіне сәйкес, "0" мәніндегі нәтижеге түсу ықтималдығы ал "1" мәніндегі нәтижеге түсу ықтималдығы . Амплитудалардың абсолюттік квадраты ықтималдыққа тең болғандықтан, және ықтималдық амплитудаларының мәндері ықтималдық теориясының екінші аксиомасына сәйкес келесі теңдеумен шектелуі керек:
.
Ықтималдық амплитудалары және тек өлшеу нәтижелерінің ықтималдығын ғана емес, сонымен қатар мен арасындағы салыстырмалы фаза, мысалы, қос жарық саңылау экспериментінде көрсетілгендей, кванттық интерференция үшін жауапты.
Аралас мемлекет
Таза күй жоғарыда сипатталғандай, Блох сферасының бетіндегі нүкте арқылы бейнеленген, когерентті суперпозициямен толық анықталады. Квибит суперпозициялық күйде болуы үшін когеренттілік маңызды. Қарым-қатынастар, кванттық шу және декогеренция кубитті аралас күйге, әр түрлі таза күйлердің статистикалық комбинациясына немесе "үйлесімсіз қоспасына" түсіруге мүмкіндік береді. Аралас күйлер Блох сферасының ішінде (немесе Блох шардың ішінде) нүктелермен көрсетіледі. Аралас кубит күйінің үш еркіндік дәрежесі бар: бұрыштар және , сондай-ақ аралас күйді көрсететін вектордың ұзындығы. Кванттық қателерді түзету кубиттердің тазалығын сақтау үшін қолданылуы мүмкін.
Кубиттердегі операциялар
Квиттерде әр түрлі физикалық операцияларды орындауға болады. Кванттық логикалық қақпалар, кванттық компьютердегі кванттық тізбектің құрылыс блоктары, кубиттер жиынтығында (тізілімде) жұмыс істейді; математикалық тұрғыдан алғанда, кубиттер кванттық қақпалардың бірлік матрицасын кванттық күй векторымен көбейту арқылы сипатталатын (кері қайта болатын) бірлік трансформациясына ұшырайды. Осы көбейтудің нәтижесі – жаңа кванттық күй. Кванттық өлшеу – бұл бір кубиттің күйі туралы ақпарат алуға мүмкіндік беретін және когеренттілікті жоғалтатын кері қайта болмайтын операция. Бір кубитті өлшеу нәтижесі ықтималдықпен немесе ықтималдықпен болады. Кубиттің күйін өлшеу α және β шамаларының мәнін өзгертеді. Мысалы, егер өлшеу нәтижесі , α 0-ге өзгереді және β фазалық коэффициентке өзгереді, бұл жағдайда ол эксперименттік жағынан қолжетімді болмайды. Егер өлшеу бір-бірімен байланысқан кубитте орындалса, өлшеу басқа байланысқан кубиттердің күйін күйретуі мүмкін. Белгілі бір мәнге бастамалау немесе қайта бастамалау, көбінесе. Бұл операция кванттық күйді күйретеді (өлшеумен толықтай бірдей). Бастамалау логикалық немесе физикалық түрде жүзеге асырылуы мүмкін: логикалық түрде өлшеу арқылы, содан кейін өлшеу нәтижесі физикалық болса, Паули X қақпасын қолдану арқылы; мысалы, егер ол суперөткізгіш фазалық кубит болса, кванттық жүйенің энергиясын негізгі күйіне төмендету арқылы. Кванттық арна арқылы алыс жүйеге немесе машинаға (I/O операциясы) квантты жіберу, мүмкін, кванттық желінің бір бөлігі ретінде.
Кванттық түйісу
Кубиттер мен классикалық биттерді ерекшелейтін маңызды ерекшелік – бірнеше кубит кванттық түйісуді көрсете алады; кубиттің өзі кванттық түйісудің көрінісі болып табылады. Бұл жағдайда кванттық түйісу – екі немесе одан көп кубиттердің жергілікті немесе жергілікті емес қасиеті, ол кубиттер жиынтығына классикалық жүйелерде мүмкін емес жоғары корреляцияны көрсетуге мүмкіндік береді. Кванттық түйісуді көрсетуге арналған ең қарапайым жүйе – екі кубит жүйесі. Мысалы, Белл күйіндегі екі түйіскен кубитке назар аударайық: тең суперпозиция деп аталатын бұл күйде, өнім күйін немесе тең ықтималдықпен өлшеу мүмкіндігі бар. Басқаша айтқанда, бірінші кубиттің "0" немесе "1" мәні бар екенін және екінші кубиттің де дәл осылай екенін анықтаудың жолы жоқ. Енді, осы екі түйіскен кубит бөлініп, біреуі Алисаға, екіншісі Бобқа берілді делік. Алиса өзінің кубитін өлшейді де, тең ықтималдықпен немесе нәтижесін алады, яғни ол енді өзінің кубиті "0" немесе "1" мәнін алатынын біле алады. Кубиттердің түйісуінің нәтижесінде Бобтың өлшемі Алисаның өлшемімен сәйкес келуі керек. Мысалы, егер Алиса өлшесе, Боб та дәл солай өлшеуі керек, себебі бұл Алисаның кубиті болатын жалғыз жағдай. Қысқасы, осы екі түйіскен кубит үшін Алиса не өлшесе, Боб та соны өлшейді, кез келген базисте, қаншалықты алыста болса да, тіпті екеуі де олардың кубиттерінің мәні "0" немесе "1" екенін анықтай алмаса да – бұл классикалық физикамен түсіндірілмейтін өте таңғаларлық жағдай.
In this state, called an equal superposition, there are equal probabilities of measuring either product state or , as In other words, there is no way to tell if the first qubit has value "0" or "1" and likewise for the second qubit. Imagine that these two entangled qubits are separated, with one each given to Alice and Bob. Alice makes a measurement of her qubit, obtaining—with equal probabilities—either or , i. e., she can now tell if her qubit has value "0" or "1". Because of the qubits' entanglement, Bob must now get exactly the same measurement as Alice. For example, if she measures a , Bob must measure the same, as is the only state where Alice's qubit is a In short, for these two entangled qubits, whatever Alice measures, so would Bob, with perfect correlation, in any basis, however far apart they may be and even though both can not tell if their qubit has value "0" or "1" — a most surprising circumstance that cannot be explained by classical physics.
Қолданбалар
Белл күйі супер тығыз кодтау, кванттық телепортация және кванттық шифрлау алгоритмдерінің құрамына кіреді. Кванттық түйісу, классикалық биттерден айырмашылығы, бір уақытта тек бір мәнге ие бола алатындықтан, бірнеше күйлерге (мысалы, жоғарыда аталған Белл күйіне) бірден әсер етуге мүмкіндік береді. Кванттық түйісу – классикалық компьютерде тиімді орындау мүмкін емес кез келген кванттық есептеудің қажетті шарты. Кванттық есептеу мен байланыстың көптеген табыстары, мысалы, кванттық телепортация және супер тығыз кодтау, түйісуді пайдаланады, бұл түйісудің кванттық есептеуге тән ерекше ресурс екенін көрсетеді. 2018 жылғы мәліметтер бойынша, кванттық есептеудің классикалық цифрлық есептеуден басып өту мақсатындағы үлкен қиындығы – кванттық шлюздердегі шу, ол сенімді орындалатын кванттық схемалардың мөлшерін шектейді.
Кванттық тіркелім
Бірнеше кубит жиынтығы – кубит регистрі. Кванттық компьютерлер есептеулерді регистр ішіндегі кубиттерді манипуляциялау арқылы орындайды.
Құддтар мен құдриттер
Квадт термині кванттық ақпараттың бірлігін білдіреді, оны тиісті d деңгейлі кванттық жүйелерде іске асыруға болады. N күйге дейін өлшенетін кубит тізімі N деңгейлі квадтқа тең. Квадттың синонимі – quNit, себебі d және N кванттық жүйенің өлшемін көрсету үшін жиі қолданылады. Квадттар классикалық есептеудегі бүтін сан типтеріне ұқсас және оларды кубиттер массивіне (немесе олар арқылы іске асыруға) бейімдеуге болады. d деңгейлі жүйе 2-нің дәрежесі емес болса, онда квадттарды кубиттер массивіне бейімдеу мүмкін емес. Мысалы, 5 деңгейлі квадт болуы мүмкін. 2017 жылы Ұлттық ғылыми зерттеулер институтының ғалымдары әрқайсысы 10 түрлі күйге ие квадт жұбын жасады, бұл 6 кубитке қарағанда артық есептеу қуатын қамтамасыз етеді. 2022 жылы Инсбрук университетінің зерттеушілері тұтқынға алынған иондарды пайдаланып әмбебап квадттық кванттық процессорды жасауда сәттілікке жетті. Сол жылы Цинхуа университетінің кванттық ақпарат орталығындағы зерттеушілер иондық кванттық компьютерлерде бірдей ион түрлерін қолдана отырып, екі типті кубит схемасын іске асырды. Сондай-ақ 2022 жылы Берклидегі Калифорния университетінің зерттеушілері екі кубиттық қақпалардың жоғары дәлдігіне қол жеткізу үшін белгілі жиілікті қуаттар арасындағы қиылысқан Керр өзара әрекеттесуін динамикалық түрде басқаруға арналған әдіс әзірледі. 2024 жылға дейін бағдарламаланатын екі фотондық өзара әрекеттесулерге негізделген суперөткізгіш квадттардың кеңейтілген басқаруы көрсетілді. Кубитке ұқсас, кутрит – бұл кванттық ақпараттың бірлігі, оны тиісті 3 деңгейлі кванттық жүйелерде іске асыруға болады. Бұл үштік компьютерлердің классикалық ақпарат бірлігі – тритке ұқсас. Үлкен есептеу кеңістігіне байланысты артықшылықтардан басқа, үшінші кутрит деңгейін көп кубиттік қақпаларды тиімді құрастыру үшін пайдалануға болады.
Кубитті сақтау
2008 жылы Ұлыбритания мен АҚШ ғалымдары тобы бірінші рет салыстырмалы түрде ұзақ (1,75 секунд) және электрондық спинді "өңдеу" кубитіндегі суперпозициялық күйдің ядролық спинді "жад" кубитіне когерентті түрде берілуі туралы хабарлады. Бұл оқиға кванттық есептеулерді дамытуға қарай жасалған маңызды қадам ретінде, алғашқы салыстырмалы тұрақты кванттық деректерді сақтау болып есептелуі мүмкін. 2013 жылы осы сияқты жүйелерді модификациялау (нейтралды емес, зарядталған донорларды пайдалану) осы уақытты күрт ұзартты – өте төмен температурада 3 сағатқа, ал бөлме температурасында 39 минутқа дейін. Швейцария және Австралия ғалымдарының тобы ядролық спин емес, электрондық спин негізінде кубиттерді бөлме температурасында дайындау мүмкіндігін көрсетті. Ге тесігі спин-орбиталық кубиттік құрылымының шектеулерін зерттеу арқылы ғалымдар кубиттердің когеренттілігін арттыруда.