Як відбувається вимірювання результату на квантовому комп’ютері.
Раніше ми дізналися, як квантова інтерференція дозволяє змінювати ймовірності різних результатів обчислення. Але рано чи пізно квантовий алгоритм має дати нам відповідь. А для цього кубіти потрібно виміряти.
Вимірювання кубітів
І тут проявляється одна з головних відмінностей квантової інформації від класичної. Звичайний біт має значення 0 або 1, і ми можемо його прочитати. Але якщо кубіт перебуває у суперпозиції, вимірювання не покаже нам саму суперпозицію. Ми отримаємо лише один конкретний результат.
Уявімо кубіт у стані 0 і застосуємо до нього ворота Адамара. Вони створять рівну суперпозицію станів 0 та 1. Якщо тепер виміряти кубіт у стандартному базисі, ми матимемо 50 відсотків шансів отримати 0 і 50 відсотків — 1.
Але одне конкретне вимірювання не покаже нам «половину нуля і половину одиниці». Ми побачимо лише 0 або лише 1.
Важливо зрозуміти, що до вимірювання всередині кубіта не був захований готовий 0 або 1, а ми просто не знали який. До вимірювання кубіт описувався квантовим станом з амплітудами та фазами. Саме ці властивості дозволяли йому демонструвати суперпозицію та інтерференцію, про яку ми говорили в попередньому відео.
Колапс квантового стану
А тепер припустімо, що наше вимірювання дало 0.
Якщо одразу після цього виміряти кубіт ще раз у тому самому базисі, ми знову отримаємо 0. Якщо перше вимірювання дало 1, повторне вимірювання дасть 1.
Тобто перше вимірювання не просто повідомило нам якесь приховане значення. Після нього стан кубіта вже відповідає отриманому результату. Початкова суперпозиція більше не описує цей кубіт.
У традиційному описі квантової механіки таку зміну називають колапсом квантового стану.
На сфері Блоха це можна уявити дуже наочно. До вимірювання стан кубіта може бути представлений точкою в іншому місці поверхні сфери. Але якщо ми вимірюємо кубіт у стандартному базисі 0–1 і отримуємо 0, після вимірювання його стан відповідає північному полюсу. Якщо отримуємо 1 — південному.
Причому 0 та 1 — не єдині можливі варіанти базису вимірювання. Кубіт можна вимірювати й в інших базисах. Тоді змінюються можливі результати та їхні ймовірності. Але принцип залишається тим самим: вимірювання дає конкретний результат, а стан після такого вимірювання відповідає отриманому результату.
Але чому це взагалі відбувається?
І тут ми підходимо до однієї з найглибших проблем квантової механіки. Її математичний апарат надзвичайно точно передбачає ймовірності результатів вимірювань і те, як після них описувати стан системи. Але питання, що саме фізично відбувається під час вимірювання і що означає «колапс», різні інтерпретації квантової механіки пояснюють по-різному.
На щастя, щоб побудувати й використовувати квантовий комп’ютер, нам не потрібно спочатку вирішити цю столітню суперечку.
Для квантових обчислень головне інше: вимірювання перетворює квантову інформацію на результат, який може прочитати звичайний комп’ютер.
Саме тому ми не можемо просто створити суперпозицію величезної кількості можливостей, а потім «подивитися всередину» й побачити їх усі. Одне вимірювання дасть нам лише один конкретний набір нулів та одиниць.
Тому вся робота квантового алгоритму відбувається до фінального вимірювання. За допомогою квантових воріт створюються суперпозиції, кубіти можуть заплутуватися, змінюються амплітуди та фази, а інтерференція формує потрібний розподіл імовірностей. І лише після цього ми вимірюємо кубіти.
Приклад вимірювання кубітів
Припустімо, у нас чотири кубіти. Після одного запуску квантової схеми вимірювання може дати, наприклад, 0110. Після наступного запуску — 0111. Потім знову 0110.
Тому одну й ту саму квантову схему часто запускають багато разів. Кожне вимірювання дає один конкретний результат, а разом ці результати дозволяють побачити статистичний розподіл, який сформував квантовий алгоритм.
Іншими словами, інтерференція змінює ймовірності можливих результатів, а кожне вимірювання дає нам одну конкретну вибірку з цього розподілу. Яку саме інформацію потім дістають із цієї статистики, залежить уже від конкретного квантового алгоритму.
Отже, тепер у нас є всі основні складові квантового обчислення.
Кубіти зберігають квантовий стан. Суперпозиція дозволяє цьому стану містити амплітуди кількох можливих результатів. Заплутаність створює квантові зв’язки між кубітами. Квантові ворота керують станом системи. Інтерференція змінює амплітуди ймовірностей, а вимірювання перетворює фінальний квантовий стан на класичні дані, які ми можемо прочитати.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Наш Всесвіт“.