Kubit

U kvantnom računarstvu, kubit (/ˈkjuːbɪt/ ) ili kvantni bit je osnovna jedinica kvantne informacije — kvantna verzija klasičnog binarnog bita koji se fizički realizuje pomoću uređaja sa dva stanja. Kubit je kvantno-mehanički sistem u dva stanja (ili dva nivoa), jedan od najjednostavnijih kvantnih sistema koji pokazuje osobenost kvantne mehanike. Primjeri uključuju spin elektrona u kojem se dva nivoa mogu uzeti kao spin gore i spin dole; ili polarizacija jednog fotona u kojoj se dva stanja mogu uzeti kao vertikalna polarizacija i horizontalna polarizacija. U klasičnom sistemu, bit bi morao biti u jednom ili drugom stanju. Međutim, kvantna mehanika omogućava da kubit bude u koherentnoj superpoziciji oba stanja istovremeno, što je svojstvo koje je fundamentalno za kvantnu mehaniku i kvantno računanje.

Etimologija

Kovanje termina kubit pripisuje se Benjaminu Schumacheru. U priznanjima u svom radu iz 1995. Šumaher navodi da je termin kubit nastao u šali tokom razgovora sa Williamom Woottersom .

Bit protiv kubita

Binarna cifra, okarakterisana kao 0 ili 1, koristi se za predstavljanje informacija u klasičnim računarima. Kada se usredsredi za oba svoja stanja (0,1), binarna cifra može predstavljati do jednog bita Šenonove informacije, gde je bit osnovna jedinica informacije . Međutim, u ovom članku riječ bit je sinonim za binarnu cifru.

U klasičnim računarskim tehnologijama, obrađeni bit se implementira pomoću jednog od dva nivoa niskog istosmjernog napona, a pri prelasku s jednog od ova dva nivoa na drugi, takozvana "zabranjena zona" između dva logička nivoa mora se proći što brže. što je moguće, budući da se električni napon ne može trenutno mijenjati s jednog nivoa na drugi.

Postoje dva moguća ishoda za mjerenje kubita—obično se uzima da imaju vrijednost "0" i "1", poput bita ili binarne cifre. Međutim, dok stanje bita može biti samo 0 ili 1, opće stanje kubita prema kvantnoj mehanici može biti koherentna superpozicija oba. Štaviše, dok mjerenje klasičnog bita ne bi poremetilo njegovo stanje, mjerenje kubita bi uništilo njegovu koherentnost i nepovratno poremetilo stanje superpozicije. Moguće je potpuno kodirati jedan bit u jednom kubitu. Međutim, kubit može sadržavati više informacija, npr. do dva bita koristeći supergusto kodiranje.

Za sistem od n komponenti, kompletan opis njegovog stanja u klasičnoj fizici zahtijeva samo n bitova, dok u kvantnoj fizici zahtijeva 2ⁿ kompleksnih brojeva (ili jednu tačku u 2ⁿ -dimenzionalnom vektorskom prostoru ).

Čisto kubit stanje je koherentna superpozicija osnovnih stanja. To znači da se jedan kubit može opisati linearnom kombinacijom $|0\rangle$ i $|1\rangle$ :

$|\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle$

Kvantna korekcija greške može se koristiti za održavanje čistoće kubita.

Kvantna zapetljanost

Važna razlika između kubita i klasičnih bitova je da više kubita može pokazati kvantnu isprepletenost. Kvantna zapetljanost je nelokalno svojstvo dva ili više kubita koje omogućava skupu kubita da izrazi višu korelaciju nego što je to moguće u klasičnim sistemima.

Najjednostavniji sistem za prikaz kvantne isprepletenosti je sistem od dva kubita. Razmotrimo, na primjer, dva zapletena kubita u $|\Phi ^{+}\rangle$ Bellovom stanju:

${\frac {1}{\sqrt {2}}}(|00\rangle +|11\rangle ).$

U ovom stanju, koje se naziva jednaka superpozicija, postoje jednake vjerovatnoće mjerenja bilo kojeg stanja proizvoda $|00\rangle$ ili $|11\rangle$, kao $|1/{\sqrt {2}}|^{2}=1/2$ . Drugim riječima, ne postoji način da se utvrdi da li prvi kubit ima vrijednost “0” ili “1”, a isto tako i za drugi kubit.

Primjene

Bellovo stanje $|\Phi ^{+}\rangle$ čini dio podešavanja algoritama supergustog kodiranja, kvantne teleportacije i zamršene kvantne kriptografije.

Kvantna isprepletenost također omogućava da se istovremeno djeluje na više stanja (kao što je gore spomenuto stanje Bella), za razliku od klasičnih bitova koji mogu imati samo jednu vrijednost u isto vrijeme. Preplitanje je neophodan sastojak svakog kvantnog proračuna koji se ne može efikasno izvesti na klasičnom računaru. Mnogi uspjesi kvantnog računanja i komunikacije, kao što su kvantna teleportacija i supergusto kodiranje, koriste isprepletenost, što sugerira da je zapetljanost resurs koji je jedinstven za kvantno računanje. Glavna prepreka s kojom se susreće kvantno računarstvo, od 2018. godine, u svom nastojanju da nadmaši klasično digitalno računarstvo, je buka u kvantnim vratima koja ograničava veličinu kvantnih kola koja se mogu pouzdano izvršiti.

Kvantni registar

Broj kubita zajedno je qubit registar. Kvantni računari izvode proračune manipulišući kubitima unutar registra.