Co to jest kubit?

Co to jest „kubit”? Google mówi mi, że to kolejny termin „bit kwantowy”. Co to jest „bit kwantowy” fizycznie ? Jak to jest „kwantowe”? Jaki cel służy w obliczeniach kwantowych?

Uwaga: wolę wyjaśnienie, które jest zrozumiałe dla laików; terminy specyficzne dla obliczeń kwantowych powinny być najlepiej wyjaśnione względnie prostymi terminami.

To dobre pytanie i moim zdaniem znajduje się w sercu kubita. Jak komentarzu przez @Blue , nie jest to, że może ona być równa superpozycji jak to jest taka sama jak w klasycznym rozkładzie prawdopodobieństwa. Chodzi o to, że może mieć znaki ujemne.

Weź ten przykład. Wyobraź sobie, że masz trochę w stanie i reprezentujesz go jako wektor [ 1 0 ], a następnie zastosujesz operację rzucania monetą, którą można przedstawić za pomocą macierzy stochastycznej [ 0,5 0,5 0,5 0,5 ], co da klasyczną mieszaninę [ 0,5 0,5 ] . Jeśli zastosujesz to dwukrotnie, nadal będzie to klasyczna mieszanka [ 0,5 0,5 ] .$0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 & 0.5 \\0.5 & 0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$

Przejdźmy teraz do przypadku kwantowego i zacznijmy od kubitu w stanie który ponownie jest reprezentowany przez [ 1 0 ] . Quantum operacje są przedstawione w macierzy jednostkowej, która ma właściwość U † U = I . Najprostszym ujednoliconym obrazem akcji kwantowego rzutu monetą jest macierz Hadamarda [ $0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$U^\dagger U = I$gdzie pierwsza kolumna jest zdefiniowana tak, że po jednej operacji tworzy stan| +⟩=[$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & \sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} & -\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$, a następnie drugą kolumną musi być[$|+\rangle =\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$gdzie| a| 2=1/2,| b| 2=1/2ib*=-1/2. Rozwiązaniem tego jesta=$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & a \\\sqrt{0.5} & b \end{bmatrix}$$|a|^2 = 1/2$$|b|^2 = 1/2$$ab^* = -1/2$ib=-.$a =\sqrt(0.5)$$b=-a$

Teraz wykonajmy ten sam eksperyment. Jednokrotne zastosowanie daje i jeśli zmierzona (w standardowej podstawy) dostaniemy połowę czasu 0, a drugi 1 (przywołanie w kwantowareguły Bornto P(I)=|⟨I|* F⟩|2i dlatego musimy cały plac korzenie). To jest jak powyżej i ma losowy wynik.$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$$P(i) = |\langle i|\psi\rangle|^2$

Zastosujmy to dwa razy. Teraz otrzymalibyśmy . Znak ujemny anuluje prawdopodobieństwo zaobserwowania wyniku 1, a fizyk nazywamy to interferencją. To te liczby ujemne, które otrzymujemy w stanach kwantowych, których nie można wyjaśnić teorią prawdopodobieństwa, w których wektory muszą pozostać dodatnie i rzeczywiste.$\begin{bmatrix} 0.5+0.5 \\0.5-0.5\end{bmatrix}$

Rozszerzenie tego na n kubitów daje teorię wykładniczą, że nie możemy znaleźć skutecznych sposobów symulacji.

To nie tylko mój pogląd. Widziałem to pokazane w rozmowach Scotta Aaronsona i myślę, że najlepiej powiedzieć, że kwant jest jak „teoria prawdopodobieństwa ze znakami minusowymi” (to cytat Scott).

Dołączam slajdy, które lubię podawać, aby wyjaśnić kwant (jeśli nie jest standardowe, aby slajdy zawierały odpowiedź, chętnie wypiszę matematykę, aby omówić pojęcia)

Prawdopodobnie będę rozszerzać to (!) I dodawać zdjęcia i linki, jak mam czas, ale oto moje pierwsze zdjęcie.

Wyjaśnienie głównie matematyczne

Specjalna moneta

Zacznijmy od myślenia o normalnych bitach. Wyobraź sobie, że ten zwykły bit jest monetą, którą możemy obrócić, by być głowami lub reszkami. Nazwiemy głowy równoważne „1”, a reszka „0”. Teraz wyobraź sobie, że zamiast po prostu rzucić monetą, możemy ją obrócić - 45 powyżej poziomu, 50 ∘ powyżej poziomu, 10 ∘ poniżej poziomu, cokolwiek - są to wszystkie stany. Otwiera to ogromną nową możliwość stanów - w ten sposób mógłbym zakodować całe dzieła Szekspira w jedną monetę.${}^\circ$$^\circ$$^\circ$

Ale co jest haczykiem? Jak mówi przysłowie, nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch. Kiedy faktycznie patrzę na monetę, aby zobaczyć, w jakim jest stanie, staje się ona albo główką, albo ogonem, w zależności od prawdopodobieństwa - dobrym sposobem, aby na nią spojrzeć, jest to, że jest bliżej głów, bardziej prawdopodobne jest, że staną się główkami, gdy spojrzymy na nią, i vice versa, choć istnieje szansa, że ​​moneta z główką może stać się ogonem, gdy się na nią spojrzy.

Co więcej, kiedy spojrzę na tę specjalną monetę, nie będzie już można uzyskać dostępu do żadnych informacji, które były w niej wcześniej. Jeśli spojrzę na moją monetę Szekspira, dostaję tylko głowy lub ogony, a kiedy odwracam wzrok, wciąż widzę to, co widziałem - nie magicznie wraca do monety Szekspira. Powinienem tutaj zauważyć, że możecie pomyśleć, jak to zaznacza Blue w komentarzach, że

Biorąc pod uwagę ogromny postęp we współczesnej technologii, nic nie powstrzymuje mnie przed monitorowaniem dokładnej orientacji monety wyrzucanej w powietrze podczas upadku. Nie muszę koniecznie „zaglądać w to”, tzn. Zatrzymać go i sprawdzić, czy upadł jako „głowa” czy „ogon”.

To „monitorowanie” liczy się jako pomiar. Nie ma sposobu, aby zobaczyć stan pośredni tej monety. Brak, nada, zilch. To trochę różni się od zwykłej monety, prawda?

Zatem zakodowanie wszystkich dzieł Szekspira w naszej monecie jest teoretycznie możliwe, ale nigdy nie możemy naprawdę uzyskać dostępu do tych informacji, więc nie jest to bardzo przydatne.

Mamy małą ciekawą matematyczną ciekawość, ale jak właściwie moglibyśmy coś z tym zrobić?

Problem z mechaniką klasyczną

Cóż, cofnijmy się o minutę i przejdźmy do innego rozwiązania. Jeśli rzucę ci piłkę, a ty ją złapiesz, możemy w zasadzie dokładnie modelować ruch tej piłki (biorąc pod uwagę wszystkie parametry). Możemy analizować jego trajektorię za pomocą praw Newtona, ustalić jej ruch w powietrzu za pomocą mechaniki płynów ( chyba że występują turbulencje ) i tak dalej.

Przygotujmy więc mały eksperyment. Mam ścianę z dwiema szczelinami i drugą ścianą za tą ścianą. Z przodu ustawiłem jedną z tych miotaczy piłek tenisowych i zacząłem rzucać piłkami tenisowymi. W międzyczasie jestem przy tylnej ścianie, gdzie kończą się wszystkie nasze piłki tenisowe. Kiedy to zaznaczam, w danych tuż za dwiema szczelinami są wyraźne „garby”, jak można się spodziewać.

Teraz zmieniam nasz miotacz piłek tenisowych na coś, co wyrzuca naprawdę małe cząsteczki. Może mam laser i patrzymy tam, gdzie patrzą fotony. Może mam broń elektronową. Cokolwiek, patrzymy na to, gdzie te sub-atomowe cząstki znów się kończą. Tym razem nie otrzymujemy dwóch garbów, otrzymujemy wzór interferencji.

Czy to w ogóle wygląda ci znajomo? Wyobraź sobie, że upuszczasz dwa kamyki w stawie obok siebie. Wyglądasz znajomo? Fale w stawie przeszkadzają sobie nawzajem. Są miejsca, w których się znoszą i miejsca, w których pęcznieją, tworząc piękne wzory. Teraz widzimy cząstki strzelające do wzoru interferencyjnego . Cząstki te muszą zachowywać się jak fale. Więc może cały czas się myliliśmy? (Nazywa się to eksperymentem z podwójną szczeliną .) Niestety, elektrony to fale, a nie cząstki.

Tyle że ... one też są cząstkami. Kiedy patrzysz na promienie katodowe (strumienie elektronów w lampach próżniowych), ich zachowanie wyraźnie pokazuje, że elektrony są cząsteczkami. Cytując wikipedię:

Jak fala, promienie katodowe przemieszczają się w liniach prostych i wytwarzają cień, gdy przeszkadzają im przedmioty. Ernest Rutherford wykazał, że promienie mogą przechodzić przez cienkie metalowe folie, czego oczekuje się od cząstki. Te sprzeczne właściwości spowodowały zakłócenia podczas próby sklasyfikowania jej jako fali lub cząstki [...] Debata została rozwiązana, gdy JJ Thomson wykorzystał pole elektryczne do odchylenia promieni. Był to dowód na to, że wiązki składały się z cząstek, ponieważ naukowcy wiedzieli, że niemożliwe jest ugięcie fal elektromagnetycznych za pomocą pola elektrycznego.

Więc ... oboje . A raczej są czymś zupełnie innym. To jedna z kilku zagadek, które fizycy widzieli na początku XX wieku. Jeśli chcesz spojrzeć na niektóre inne, spójrz na promieniowanie ciała czarnego lub efekt fotoelektryczny .

Co naprawiło problem - mechanika kwantowa

Problemy te prowadzą nas do zrozumienia, że ​​prawa, które pozwalają nam obliczyć ruch tej piłki, którą rzucamy tam iz powrotem, po prostu nie działają na bardzo małą skalę. Tak więc opracowano nowy zestaw praw. Prawa te nazwano mechaniką kwantową na podstawie jednej z głównych idei leżących u ich podstaw - istnienia podstawowych pakietów energii, zwanych kwantami.

Chodzi o to, że nie mogę po prostu dać ci .00000000000000000000000000 plus kilka więcej zer 1 dżuli energii - istnieje minimalna możliwa ilość energii, którą mogę ci dać. To jest tak, że w systemach walutowych mogę dać ci dolara lub grosz, ale (w każdym razie w amerykańskich pieniądzach) nie mogę dać ci „pół pensa”. Nie istnieje Energia (i inne wartości) może być taka w niektórych sytuacjach. (Nie wszystkie sytuacje, które czasami mogą się zdarzyć w mechanice klasycznej - zobacz także to ; dzięki Blue za wskazanie tego.)

W każdym razie mamy nowy zestaw praw, mechanikę kwantową. Rozwój tych praw jest kompletny, choć nie do końca poprawny (patrz teorie pola kwantowego, grawitacja kwantowa), ale historia ich rozwoju jest dość interesująca. Był ten facet, Schrodinger, o sławie zabijającej kota ( może? ), Który wymyślił równanie falowe w mechanice kwantowej. I to było preferowane przez wielu fizyków, ponieważ podobało się to do klasycznego sposobu obliczania rzeczy - całki i hamiltonianie i tak dalej.

Inny facet, Heisenberg, wymyślił zupełnie inny sposób obliczania stanu cząstki mechaniki kwantowej, który nazywa się mechaniką macierzy. Jeszcze inny facet, Dirac, udowodnił, że formuły mechaniczne macierzy i równania falowe są równe.

Więc teraz musimy znów zamieniać pinezki - czym są matryce i wektory ich przyjaciół?

Wektory i macierze - lub, miejmy nadzieję, bezbolesna algebra liniowa

$^2$

Mamy więc te wektory. Jakie matematyki mogę z nimi zrobić? Jak mogę manipulować wektorem? Mogę pomnożyć wektory przez normalną liczbę, na przykład 3 lub 2 (nazywane są skalarami), aby je rozciągnąć, zmniejszyć (jeśli jest ułamkiem) lub przerzucić (jeśli jest ujemne). Mogę dość łatwo dodawać lub odejmować wektory - jeśli mam wektor (2, 3) + (4, 2), który jest równy (6, 5). Są też rzeczy zwane produktami kropkowymi i krzyżowymi, których nie będziemy tu omawiać - jeśli jesteś zainteresowany tym, sprawdź serię algebry liniowej 3blue1brown , która jest bardzo dostępna, faktycznie uczy, jak to zrobić i jest wspaniały aby dowiedzieć się o tym.

$\hat{i}$$\hat{j}$$\sqrt{-1} = i$

Następnie widzimy, gdzie i-hat i j-hat kończą w naszym nowym układzie współrzędnych. W pierwszej kolumnie naszej macierzy zapisujemy nowe współrzędne i-hat, aw drugiej kolumnie nowe współrzędne j-hat. Możemy teraz pomnożyć tę macierz przez dowolny wektor i uzyskać ten wektor w nowym układzie współrzędnych. Powodem tego jest to, że można przepisać wektory jako tak zwane kombinacje liniowe. Oznacza to, że możemy przepisać powiedzmy, (2, 3) jako 2 * (1, 0) + 3 * (0, 1) - to znaczy 2 * i-hat + 3 * j-hat. Kiedy używamy macierzy, skutecznie pomnożymy te skalary przez „nowy” i-hat i j-hat. Ponownie, jeśli jesteś zainteresowany, zobacz filmy 3blue1brown. Matryce te są często używane w wielu dziedzinach, ale stąd pochodzi nazwa mechaniki macierzy.

Wiązanie wszystkiego razem

Teraz macierze mogą reprezentować obroty płaszczyzny współrzędnych, rozciąganie lub zmniejszanie płaszczyzny współrzędnych lub kilka innych rzeczy. Ale niektóre z tych zachowań ... brzmią znajomo, prawda? Nasza mała specjalna moneta brzmi trochę podobnie. Mamy ten pomysł rotacji. Co jeśli reprezentujemy stan poziomy za pomocą i-hat, a pionowy za pomocą j-hat i opisujemy, jaki jest obrót naszej monety za pomocą kombinacji liniowych? To działa i znacznie ułatwia opisywanie naszego systemu. Tak więc naszą małą monetę można opisać za pomocą algebry liniowej.

Co jeszcze można opisać algebrą liniową i ma dziwne prawdopodobieństwa i pomiary? Mechanika kwantowa. (W szczególności ta koncepcja kombinacji liniowych staje się ideą zwaną superpozycją, z której pochodzi cała koncepcja, nadmiernie uproszczona do tego stopnia, że ​​nie jest tak naprawdę poprawna, „dwóch stanów jednocześnie”.) Tak więc te specjalne monety mogą być obiektami mechaniki kwantowej. Jakie rzeczy są obiektami mechaniki kwantowej?

• fotony
• nadprzewodniki
• elektronowe stany energii w atomie

Wszystko, innymi słowy, które ma zachowanie energii dyskretnej (kwantów), ale może również działać jak fala - mogą one przeszkadzać sobie nawzajem i tak dalej.

Mamy więc te specjalne kwantowe monety. Jak powinniśmy je nazwać? Przechowują stan informacji jak bity ... ale są kwantowe. To kubity. A teraz co robimy? Manipulujemy przechowywanymi w nich informacjami matrycami (hmm, bramkami). Mierzymy, aby uzyskać wyniki. Krótko mówiąc, obliczamy.

Teraz wiemy, że nie możemy zakodować nieskończonej ilości informacji w kubicie i nadal mieć do nich dostęp (patrz uwagi na naszej „monecie szekspirowskiej”), więc jaka jest zatem korzyść qubitu? Chodzi o to, że te dodatkowe fragmenty informacji mogą wpływać na wszystkie inne kubity (to znowu ta idea superpozycji / kombinacji liniowej), co wpływa na prawdopodobieństwo, które następnie wpływa na twoją odpowiedź - ale jest bardzo trudne w użyciu, dlatego istnieje jest tak mało algorytmów kwantowych.

Moneta specjalna w porównaniu do zwykłej monety - a co wyróżnia kubit?

Więc ... mamy ten kubit. Ale Blue porusza świetny punkt.

$\frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle$

Istnieje kilka różnic - sposób, w jaki pomiar działa (patrz akapit czwarty), cała ta idea superpozycji - ale różnica definiująca (Mithrandir24601 wskazała to na czacie, i zgadzam się) to naruszenie nierówności Bella.

Weźmy kolejny hals. Kiedy rozwijano mechanikę kwantową, odbyła się wielka debata. Zaczęło się między Einsteinem a Bohrem. Kiedy opracowano teorię fal Schrodingera, stało się jasne, że mechanika kwantowa byłaby teorią probabilistyczną. Bohr opublikował artykuł na temat tego probabilistycznego światopoglądu, który zakończył, mówiąc

Tutaj pojawia się cały problem determinizmu. Z punktu widzenia naszej mechaniki kwantowej nie ma ilości, która w żadnym indywidualnym przypadku przyczynowo naprawia konsekwencje zderzenia; ale także eksperymentalnie nie mamy do tej pory powodu, by sądzić, że istnieją pewne wewnętrzne właściwości atomu, które warunkują ostateczny wynik zderzenia. Czy powinniśmy mieć nadzieję później odkryć takie właściwości ... i ustalić je w indywidualnych przypadkach? Czy też powinniśmy wierzyć, że zgodność teorii i eksperymentu - co do niemożności ustalenia warunków ewolucji przyczynowej - jest z góry ustaloną harmonią opartą na nieistnieniu takich warunków? Sam jestem skłonny porzucić determinizm w świecie atomów. Ale to jest filozoficzne pytanie, dla którego same fizyczne argumenty nie są decydujące.

Idea determinizmu istnieje od jakiegoś czasu. Być może jeden z bardziej znanych cytatów na ten temat pochodzi od Laplace'a, który powiedział

Intelekt, który w pewnym momencie znałby wszystkie siły wprawiające naturę w ruch i wszystkie pozycje wszystkich elementów, z których składa się natura, gdyby ten intelekt był wystarczająco duży, aby poddać te dane analizie, obejmowałby jedną formułę ruchy największych ciał wszechświata i ruchów najmniejszego atomu; dla takiego intelektu nic nie byłoby niepewne, a przyszłość, podobnie jak przeszłość, byłaby na jego oczach.

Idea determinizmu polega na tym, że jeśli wiesz wszystko, co trzeba wiedzieć o obecnym stanie i stosujesz prawa fizyczne, które mamy, możesz (skutecznie) ustalić przyszłość. Jednak mechanika kwantowa z prawdopodobieństwem dziesiątkuje ten pomysł. „Sam jestem skłonny porzucić determinizm w świecie atomów”. To wielka sprawa!

Słynna odpowiedź Alberta Einsteina:

Godna uwagi jest mechanika kwantowa. Ale wewnętrzny głos mówi mi, że to jeszcze nie jest właściwy utwór. Teoria przynosi wiele, ale prawie nie przybliża nas do tajemnic Starego. W każdym razie jestem przekonany, że On nie gra w kości.

(Odpowiedź Bohra była najwyraźniej „Przestań mówić Bogu, co ma robić”, ale i tak.)

Przez jakiś czas toczyła się debata. Pojawiły się ukryte teorie zmiennych, w których nie chodziło tylko o prawdopodobieństwo - istniał sposób, w jaki cząstka „wiedziała”, co będzie po pomiarze; nie wszystko zależało od przypadku. A potem pojawiła się nierówność Bella. Cytując Wikipedię,

W najprostszej postaci twierdzenie Bella

Żadna fizyczna teoria lokalnych zmiennych ukrytych nigdy nie odtworzy wszystkich prognoz mechaniki kwantowej.

Umożliwiło to eksperymentalne sprawdzenie tego. To prawda - to czyste prawdopodobieństwo. To nie jest klasyczne zachowanie. To wszystko przypadek, szansa, która wpływa na inne szanse poprzez superpozycję, a następnie „zapada się” do jednego stanu po pomiarze (jeśli zastosujesz interpretację kopenhaską). Podsumowując: po pierwsze, pomiar zasadniczo różni się w mechanice kwantowej, a po drugie, że mechanika kwantowa nie jest deterministyczna. Oba te punkty oznaczają, że każdy układ kwantowy, w tym kubit, będzie zasadniczo różnił się od dowolnego układu klasycznego.

Małe zastrzeżenie

Jak mądrze wskazuje xkcd, każda analogia jest przybliżeniem. Ta odpowiedź w ogóle nie jest formalna, a do tego jest o wiele więcej. Mam nadzieję, że dodam do tej odpowiedzi nieco bardziej formalny (choć wciąż nie do końca formalny) opis, ale proszę o tym pamiętać.

Zasoby

• Nielsen i Chuang, Obliczenia kwantowe i informacje kwantowe. Biblia obliczeń kwantowych.

• Algebra liniowa i rachunek różniczkowy 3blue1brown są świetne dla matematyki.

• Michael Nielsen (tak, który jest współautorem powyższego podręcznika) ma serię wideo o nazwie Quantum Computing for the Determined. 10/10 poleciłoby.

• dziwactwo to świetny mały symulator komputera kwantowego, z którym można się bawić.

• Niedawno napisałem kilka postów na ten temat na blogu (jeśli nie masz nic przeciwko przeczytaniu mojego pisania, co nie jest zbyt dobre), które można znaleźć tutaj, który próbuje zacząć od podstaw i pracować dalej.

01$|0\rangle$$|1\rangle$

$\alpha$$\beta$$|\psi_0 \rangle$

$Z$010$\alpha^2$1$\alpha^2$$\alpha^2+\beta^2=1$

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

$|\psi_0\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$

$|0\rangle$$|1 \rangle$

$n$$2^n$$n$

Ale jeśli chodzi o to, jak to działa, będę musiał odesłać cię do pozostałych pytań i odpowiedzi w tej wymianie stosów.

Co to jest „bit kwantowy” fizycznie? Jak to jest „kwantowe”?

Najpierw dam przykłady klasycznych bitów:

• W CPU: niskie napięcie = 0, wysokie napięcie = 1
• Na dysku twardym: magnes północny = 0, magnes południowy = 1
• W kodzie kreskowym na karcie bibliotecznej: Cienki pasek = 0, Gruby pasek = 1
• Na DVD: Brak głębokiej mikroskopijnej dziury na dysku = 0, Obecność = 1

W każdym przypadku możesz mieć coś pomiędzy:

• Jeśli „niskie napięcie” wynosi 0 mV, a „wysokie napięcie” wynosi 1 mV, średnie napięcie może wynosić 0,5 mV
• Magnes może być spolaryzowany w dowolnym kierunku, na przykład na północny zachód
• Możesz mieć linie kodu kreskowego o dowolnej szerokości
• Na powierzchni płyty DVD mogą znajdować się wgłębienia o różnych głębokościach

W mechanice kwantowej rzeczy mogą istnieć tylko w „pakietach” zwanych „kwantami”. Liczba pojedyncza „kwantów” to „kwant” . Oznacza to na przykład kod kreskowy, jeśli cienka linia była jednym „kwantowym”, gruba linia może być dwa razy większa niż cienka linia (dwie kwanty), ale nie może być 1,5 raza większa niż grubość cienkiej linii. Jeśli spojrzysz na swoją kartę biblioteczną, zauważysz, że możesz narysować linie o grubości 1,5 raza większej niż grubość cienkich linii, co jest jednym z powodów, dla których bity kodu kreskowego nie są kubitami.

Istnieją pewne rzeczy, w których prawa mechaniki kwantowej nie zezwalają na nic między 0 a 1, niektóre przykłady znajdują się poniżej:

• spin elektronu : jest albo w górę (0), albo w dół (1), ale nie może być pomiędzy.
• poziom energii elektronu: 1. poziom to 0, 2. poziom to 1, nie ma czegoś takiego jak poziom 1.5

Podałem wam dwa przykłady tego, czym fizycznie może być kubit: spin elektronu lub poziom energii elektronu.

Jaki cel służy w obliczeniach kwantowych?

$n$$2^n$

Kubit (bit kwantowy) to układ kwantowy, który można w pełni opisać („żyje”) w dwuwymiarowej złożonej przestrzeni wektorowej.

Jednak obliczenia wymagają znacznie więcej. W tej przestrzeni wektorowej muszą istnieć dwa ortogonalne wektory podstawowe$|0\rangle$ i $|1\rangle$, które są stabilne w tym sensie, że można bardzo precyzyjnie ustawić system $|0\rangle$ lub $|1\rangle$i pozostanie tam przez długi czas. Łatwiej to powiedzieć niż zrobić, ponieważ jeśli hałas nie zostanie w jakiś sposób zredukowany, spowoduje stopniowe dryfowanie stanu, tak aby zawierał element wzdłuż obu$|0\rangle$ i $|1\rangle$ wymiary

Aby wykonać obliczenia, musisz także być w stanie zaindukować „kompletny” zestaw operacji działających na jeden lub dwa kubity. Gdy nie indukujesz operacji, kubity nie powinny oddziaływać ze sobą. O ile interakcja ze środowiskiem nie zostanie stłumiona, kubity będą oddziaływać na siebie.

Nawiasem mówiąc, klasyczny kawałek jest znacznie prostszy niż kubit. Jest to system, który można opisać zmienną boolowską

W technologiach kwantowych (fotony, atomy itp.) Obserwujemy tylko bity (0 lub 1).

W gruncie rzeczy nikt tak naprawdę nie wie, co to jest bit kwantowy. Niektórzy twierdzą, że jest to obiekt „zarówno” 0, jak i 1; inni mówią, że chodzi o rzeczy związane z równoległymi wszechświatami; ale fizycy nie wiedzą, co to jest, i wymyślili interpretacje, które nie zostały udowodnione.

Przyczyną tego „zamieszania” są dwa czynniki:

(1) Można osiągnąć niezwykłe zadania, których nie można wytłumaczyć myśląc o technologii kwantowej w kategoriach normalnych bitów. Musi więc być jakiś dodatkowy element, który nazywamy bitem „kwantowym”. Ale oto kluczowy element: tego dodatkowego elementu „kwantowego” nie można bezpośrednio wykryć; wszystko, co obserwujemy, to normalne fragmenty, kiedy „patrzymy” na system.

(2) Jednym ze sposobów „zobaczenia” tych dodatkowych „kwantowych” rzeczy są matematyka. Dlatego prawidłowy opis kubita jest matematyczny, a każde jego tłumaczenie jest interpretacją, która nie została jeszcze udowodniona.

Podsumowując, nikt nie wie, jakie są bity kwantowe. Wiemy, że w technologiach kwantowych jest coś więcej niż bity, które nazywamy bitem „kwantowym”. I jak dotąd jedynym prawidłowym (choć niezadowalającym) opisem jest matematyka.

Mam nadzieję, że to pomaga.