qubit - Qubit


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Em computação quântica , um qbit  ( / k ju b ɪ t / ) ou bit quântico  (por vezes qbit ) é a unidade básica de informação quântica -a versão quântico do binário clássica pouco fisicamente realizado com um dispositivo de dois estados. Um qubit é um sistema de dois estados (ou de dois níveis) quantum-mecânica , um dos mais simples sistemas quânticos exibindo a estranheza de mecânica quântica. Os exemplos incluem: a rotação do electrão em que os dois níveis pode ser tomado como spin-se e girar para baixo; ou a polarização de um único fotão em que pode ser tomada os dois estados a ser a polarização vertical e horizontal da polarização. Em um sistema clássico, um pouco teria que ser em um estado ou outro. No entanto, a mecânica quântica permite que o qubit de estar em um coerente superposição  dos dois estados / níveis ao mesmo tempo, uma propriedade que é fundamental para a mecânica quântica e computação quântica assim.

Etimologia

A cunhagem do termo qbit é atribuída a Benjamin Schumacher . Nos agradecimentos de seu papel 1995, Schumacher afirma que o termo qubit foi criado em tom de brincadeira, durante uma conversa com William Wootters . O documento descreve uma forma de comprimir estados emitidos por uma fonte quântico de informações para que eles exigem menos recursos físicos para armazenar. Este procedimento é agora conhecido como compressão Schumacher .

Bit contra qubit

Um dígito binário , caracterizado como 0 e 1, é usado para representar a informação em computadores clássicos. Um dígito binário pode representar até um pouco de informação de Shannon , onde um bit é a unidade básica de informação . No entanto, neste artigo, a palavra bit é sinônimo de dígito binário.

Em tecnologias de computador clássico, um processadas bit é implementado por um dos dois níveis de baixa DC tensão , e, embora a mudança de um destes dois níveis para o outro, a chamada zona proibida deve ser passado tão rápido quanto possível, como tensão elétrica não pode mudar de um nível para outro instantaneamente .

Há dois resultados possíveis para a medição de um qubit-geralmente tomada para ter o valor "0" e "1", como um pouco ou dígito binário. No entanto, enquanto que o estado de um bit só pode ser 0 ou 1, o estado geral de um qubit de acordo com a mecânica quântica pode ser uma superposição coerente  de ambos. Além disso, ao passo que uma medida de um bit clássico não iria perturbar o seu estado, uma medição de um qubit iria destruir a sua coerência e irrevogavelmente perturbar o estado de superposição. É possível codificar completamente um bit em um qubit. No entanto, um qubit pode conter mais informações, por exemplo, até dois bits usando codificação superdensa .

Para um sistema de n componentes, uma descrição completa do seu estado em física clássica requer apenas n pedaços, ao passo que na física quântica que requer 2 n números -1 complexos.

Representação padrão

Em mecânica quântica, o geral estado quântico de um qubit pode ser representado por uma superposição linear das suas duas ortonormais base estados (ou base vectores ). Estes vectores são usualmente denotados como e . Eles são escritos na convencional Dirac -ou "bra-ket" notação Q; o e são pronunciados "ket 0" e "ket 1", respectivamente. Estes dois estados da base ortonormais, juntamente chamado de base computacional, são disse para abranger o bidimensional espaço vetorial linear (Hilbert) do qubit.

Estados da base Qubit também podem ser combinados para formar estados da base do produto. Por exemplo, dois qubits poderiam ser representados num espaço vectorial linear de quatro dimensões gerado pelos seguintes estados básicos do produto: , , , e .

Em geral, n qubits são representados por um vector de estado de sobreposição em 2 n espaço de Hilbert -dimensional.

estados qubit

pergunta dropshade.png Problema não resolvido na física :
É possível ter tridimensional, auto-correção , a memória quântica?
(problemas não resolvidos em mais física)

Um qubit pura é um coerente superposição dos estados da base. Isto significa que uma única qubit pode ser descrita por uma combinação linear de e :

onde α e β são amplitudes de probabilidade e podem em geral ser ambos números complexos . Quando medimos esse qubit na base padrão, de acordo com a regra de born , a probabilidade de resultado com o valor "0" é e a probabilidade de resultado com valor "1" é . Porque o quadrado das amplitudes equivale a probabilidades, segue-se que e deve ser limitado pela equação

Note-se que um qubit neste estado de superposição não tem um valor entre "0" e "1"; em vez disso, quando medido, o qubit tem uma probabilidade do valor “0” e uma probabilidade do valor "1". Em outras palavras, superposição significa que não há nenhuma maneira, mesmo em princípio, para dizer qual dos dois estados possíveis que formam o estado de superposição realmente pertence. Além disso, as amplitudes de probabilidade, e , codificar mais do que apenas as probabilidades dos resultados de uma medição; a fase relativa de e é responsável pela interferência quântica , por exemplo , como pode ser visto na experiência das duas fendas .

representação esfera Bloch

Bloch esfera representação de um qubit. As amplitudes de probabilidade para o estado de superposição, são dadas por e .

Pode ser, à primeira vista, parece que deveria haver quatro graus de liberdade em , como e são números complexos com dois graus de liberdade cada um. No entanto, um grau de liberdade é removido pela restrição normalização | alfa | 2 + | beta | 2 = 1 . Isto significa que, com uma modificação adequada de coordenadas, pode-se eliminar um dos graus de liberdade. Uma escolha possível é o da coordena Hopf :

Além disso, para um único qubit o geral fase do estado e i ip não tem consequências fisicamente observáveis, para que possamos escolher arbitrariamente α para ser real (ou β no caso em que ct é zero), deixando apenas dois graus de liberdade:

onde representa a fisicamente significativa de fase relativa .

Os possíveis estados quânticos para um único qubit pode ser visualizada utilizando uma esfera de Bloch (ver esquema). Representado em tal uma 2-esfera , um bit clássico só poderia estar no "Pólo Norte" ou o "South Pole", nos locais onde e são respectivamente. Esta escolha particular do eixo polar é arbitrário, contudo. O resto da superfície da esfera Bloch é inacessível para um bit clássico, mas um estado puro qubit pode ser representado por qualquer ponto da superfície. Por exemplo, o estado puro qubit deitava no equador da esfera no eixo y positivo. No limite clássico , um qubit, que pode ter estados quânticos em qualquer lugar na esfera Bloch, reduz-se o bit clássico, que só pode ser encontrada em qualquer pólos.

A superfície da esfera Bloch é um espaço bidimensional , que representa o espaço de estado dos estados qubit puros. Este espaço estado tem dois graus de liberdade locais, que podem ser representados pelos dois ângulos e .

estado misto

Um estado puro é um inteiramente especificado por uma única Ket, uma superposição coerente, tal como descrito acima. O ponto importante é que a coerência é essencial para um qubit para estar em um estado de superposição. Com interacções e decoherence , é possível colocar o qbit num estado misto , uma combinação ou mistura estatística incoerente de diferentes estados puros. Estados mistos podem ser representados por pontos dentro da esfera Bloch (ou na esfera Bloch). Um qubit mista tem três graus de liberdade: os ângulos e , assim como o comprimento do vector que representa o estado misto.

Operações em estados qubit puras

Existem vários tipos de operações físicas que podem ser realizadas em estados qubit puros.

  • Portas lógicas quântica , blocos de construção para um circuito quântico em um computador quântico , operar em um, dois, ou três qubits: matematicamente, os qubits sofrer um (reversível) transformação unitária sob o portão quântico. Para um único qbit, transformações unitárias correspondem a rotações do vector qbit (unidade) na esfera de Bloch para sobreposições específicas. Por dois qubits, o porta NOT controlada pode ser usado para enredar ou desembaraçar-los.
  • Medição de base padrão é uma operação irreversível em que a informação é adquirida sobre o estado de um único qubit (e coerência é perdido). O resultado da medição irá ser quer (com probabilidade ) ou (com probabilidade ). Medição do estado da qbit altera as magnitudes de α e β . Por exemplo, se o resultado da medição é , α é alterada para 0 e β é alterado para o factor de fase não experimentalmente acessível. Assim, quando um qubit é medido, o estado de superposição colapsa para um estado de base (até uma fase) e a fase relativa é tornada inacessível (ou seja, a coerência é perdida). Note-se que uma medição de um estado qbit que é emaranhado com outro sistema quântico transforma o qubit, um estado puro, num estado misto (uma mistura incoerente de estados puras) como a fase relativa da qubit é tornada inacessível.

entrelaçamento quântico

Uma característica distintiva importante entre qubits e bits clássicos é que vários qubits podem exibir entrelaçamento quântico . Emaranhamento quântico é um não-local propriedade de dois ou mais qubits que permite que um conjunto de qubits para expressar correlação mais elevado do que é possível em sistemas clássicos.

O sistema mais simples para exibir entrelaçamento quântico é o sistema de dois qubits. Considere, por exemplo, dois qubits entrelaçados no estado de Bell :

Neste estado, uma chamada sobreposição igual , existem probabilidades iguais de medição de um ou outro estado do produto ou , como . Em outras palavras, não há nenhuma maneira de saber se o primeiro qubit tem um valor “0” ou “1” e da mesma forma para o segundo qubit.

Imagine que estes dois qubits entrelaçados são separados, com um cada dado a Alice e Bob. Alice faz uma medida de sua qubit, obtendo-com iguais probabilidades-quer ou , ou seja, ela não pode dizer se ela qubit tem um valor “0” ou “1”. Por causa do entrelaçamento dos qubits, Bob deve agora obter exatamente a mesma medida que Alice. Por exemplo, se ela mede um , Bob deve medir o mesmo, pois é o único estado onde qubit de Alice é um . Em suma, para estes dois qubits entrelaçados, quaisquer que sejam as medidas Alice, de modo que Bob, com perfeita correlação, em qualquer base, porém distantes eles podem ser e mesmo que ambos não podem dizer se sua qubit tem um valor “0” ou “1” - uma circunstância mais surpreendente que pode não ser explicado pela física clássica.

portão controlada para construir o estado de Bell

Portas controladas agir em 2 ou mais qubits, onde um ou mais qubits actuam como um controlo para alguma operação especificada. Em particular, a porta NÃO controlada (ou CNOT ou cX) actua em 2 qubits, e executa a operação não sobre o segundo qbit apenas quando o primeiro é qbit , e caso contrário deixa inalterada. Com relação à base do produto não enredado , , , , que mapeia os estados da base da seguinte forma:

.

Uma aplicação comum de C NÃO porta é para enredar no mimo dois qubits para o estado de Bell . Para a construção , a entradas A (controle) e B (alvo) para o C NÃO porta são:

e

Depois de aplicar C NÃO , a saída é o Estado Bell: .

aplicações

O Sino estado faz parte da configuração da codificação superdensa , teletransporte quântico , e emaranhados de criptografia quântica algoritmos.

Emaranhamento quântico também permite que vários estados (tais como o estado de Bell mencionado acima) para ser colocada em prática em simultâneo, ao contrário de bits clássicos que só pode ter um valor de cada vez. Entanglement é um ingrediente necessário de qualquer computação quântica que não pode ser feito de forma eficiente em um computador clássico. Muitos dos sucessos da computação quântica e comunicação, como teletransporte quântico e codificação superdensa , fazer uso do entrelaçamento, sugerindo que o entrelaçamento é um recurso que é exclusivo para a computação quântica. Um grande obstáculo enfrentando a computação quântica, a partir de 2018, em sua busca para superar a computação digital clássica, é o ruído em portas quânticas que limita o tamanho dos circuitos quânticos que podem ser executados de forma confiável.

registo Quantum

Um número de qubits em conjunto é um registo qubit . Os computadores quânticos realizar cálculos, manipulando qubits dentro de um registo. Um qubyte (byte quântico) é um conjunto de oito qubits.

Variações de um qubit

Semelhante ao qubit, o qutrit é a unidade de informação quântica que pode ser realizada em sistemas quânticos de 3 níveis adequados. Isso é análogo à unidade de informação clássica TRIT de computador ternário . Note, no entanto, que nem todos os sistemas quânticos 3-nível são qutrits. O termo " qu- d " ( qu antum d -g -lo ) indica a unidade de informação quântica que pode ser realizado em adequados d sistemas quânticos -LEVEL.

implementações físicas

Qualquer de dois níveis sistema quântico-mecânico pode ser usado como um qubit. Sistemas múltiplos pode ser usado, bem como, se eles possuem dois estados que podem ser eficazmente separados do resto (por exemplo, estado fundamental e o primeiro estado animado de um oscilador não linear). Existem várias propostas. Várias implementações físicas que os sistemas de dois níveis aproximados aos vários graus foram realizados com sucesso. De modo semelhante para um bit clássico onde o estado de um transistor num processador, a magnetização de uma superfície num disco rígido e a presença de corrente de um cabo podem ser usados para representar os bits no mesmo computador, uma eventual computador quântica é provável usar várias combinações de qubits na sua concepção.

O que se segue é uma lista incompleta de implementações físicas de qubits, e as escolhas de base estão apenas por convenção.

suporte físico Nome suporte de informação
Fóton codificação de polarização Polarização da luz Horizontal Vertical
Número de fótons estado Fock Vácuo estado de fóton único
codificação de tempo-bin Hora de chegada Cedo Tarde
estado coerente de luz luz espremido Quadratura Estado apertou-Amplitude Estado apertou-Phase
elétrons rotação eletrônico Girar Acima Baixa
número Electron Carregar Sem elétron um elétron
Núcleo Spin nuclear abordados através de NMR Girar Acima Baixa
redes ópticas rotação atômica Girar Acima Baixa
junção Josephson Supercondutor qubit carga Carregar Ilha supercondutor descarregada ( Q = 0) Ilha supercondutor carregada ( Q = 2 e , um par de Cooper adicional)
Supercondutor qubit fluxo Atual atual no sentido horário anti-horário atual
Supercondutor qbit fase Energia Estado Fundamental Primeiro estado animado
Singly cobrado ponto quântico par localização Electron Carregar Electron no ponto esquerdo Electron no ponto certo
Ponto quântico rotação Dot Girar Baixa Acima
sistema topológico gapped Não-abelianos anyons Trança de excitações Depende do sistema topológico específico Depende do sistema topológico específico

armazenamento qubit

Em um artigo intitulado: "Solid-state memória quântica usando o 31 P spin nuclear", publicado no 23 de outubro de 2008 edição da revista Nature , uma equipe de cientistas do Reino Unido e dos EUA informou os primeiros relativamente longos (1,75 segundos) e transferência coerente de um estado de superposição em um spin do elétron qubit "processamento" a um spin nuclear qubit "memória". Este evento pode ser considerado o primeiro armazenamento de dados quântico relativamente consistente, um passo vital para o desenvolvimento da computação quântica . Recentemente, uma modificação de sistemas similares (usando carregada em vez de dadores neutros) prolongou dramaticamente este tempo, a 3 horas a temperaturas muito baixas e 39 minutos à temperatura ambiente. Preparação temperatura ambiente de um qubit baseado em elétron gira em vez de spin nuclear também foi demonstrada por uma equipe de cientistas da Suíça e da Austrália.

Veja também

Outras leituras

  • Uma boa introdução ao tema é o livro de Nielsen e Chuang.
  • Um excelente tratamento de sistemas quânticos de dois Estados e sua esquisitice quântica, apresentado a alunos de graduação em 1960, décadas antes do termo “qubit” foi cunhado, encontra-se no terceiro volume de O Feynman Lectures on Physics (2013 edição ebook) .
  • A motivação não-tradicional do qubit destinado a não-físicos é encontrado em Computação Quântica Desde Demócrito , por Scott Aaronson , Cambridge University Press (2013).
  • Uma boa introdução para qubits para não-especialistas, pela pessoa que cunhou a palavra, é encontrado na Aula 21 de '' A ciência da informação: de língua para os buracos negros '', pelo professor Benjamin Schumacher , Os Grandes Cursos , O Ensino Companhia (4DVDs, 2015).
  • A introdução foto-livro para emaranhamento, contrastando sistemas clássicos e um estado Bell, é encontrado em “emaranhamento quântico para os bebês”, de Chris Ferrie (2017).

Referências