Сьогодні про квантові ворота. Ми вже знаємо, що кубіт може перебувати не лише у стані 0 або 1, а й у їхній суперпозиції. Але сам по собі кубіт нічого не обчислює. Щоб квантовий комп’ютер виконав потрібне завдання, станами кубітів необхідно керувати: змінювати їх певним чином і поєднувати ці зміни у послідовність операцій. Саме для цього існують квантові ворота.
У звичайному комп’ютері схожу роль виконують логічні елементи. Наприклад, елемент NOT змінює 0 на 1, а 1 — на 0. У квантовому комп’ютері є схожа операція — ворота X. Якщо кубіт перебуває у стані 0, вони переводять його у стан 1, а якщо у стані 1 — у 0.
Але кубіт може перебувати й у суперпозиції. Тоді ворота X змінюють увесь квантовий стан: складова, пов’язана зі станом 0, переходить у 1, а складова, пов’язана зі станом 1, — у 0.
Сфера Блоха
Щоб уявити, що відбувається з кубітом під час таких операцій, фізики використовують сферу Блоха. Це математичний спосіб зобразити стан одного кубіта у вигляді точки на поверхні сфери. Північний полюс відповідає стану 0, південний — стану 1, а інші точки на поверхні представляють різні квантові стани, більшість із яких є суперпозиціями 0 та 1.
Причому важливо не лише те, у якому співвідношенні в суперпозиції присутні 0 та 1. Значення має ще й їхня відносна фаза. На сфері Блоха все це можна представити положенням однієї точки, тому дію багатьох однокубітних воріт зручно уявляти як поворот стану кубіта на цій сфері.
Квантові ворота Х
Наприклад, ворота X повертають стан на 180 градусів навколо осі X. Якщо точка була на північному полюсі, вона опиниться на південному — тобто 0 перетвориться на 1. Якщо ж точка перебувала в іншому місці сфери, вона також переміститься відповідно до цього повороту.
Квантові ворота Адамара
Є ще одні важливі ворота – це ворота Адамара. Якщо застосувати їх до кубіта у стані 0, вони переводять його у рівну суперпозицію станів 0 та 1. На сфері Блоха точка переміститься з полюса на екватор. Якщо після цього одразу виміряти кубіт, ми отримаємо 0 або 1 з однаковою ймовірністю.
Квантові ворота CNOT
Існують також ворота, які виконують операції одразу над системою кубітів. Один із найвідоміших прикладів — CNOT. У них один кубіт є керуючим, а другий — цільовим. Якщо керуючий кубіт перебуває у стані 0, цільовий не змінюється. Якщо керуючий перебуває у стані 1, до цільового застосовується операція X: його 0 перетворюється на 1, а 1 — на 0.
Як створюється квантова заплутаність
Якщо спочатку створити суперпозицію, а потім правильно застосувати CNOT, можна отримати стан, у якому два кубіти вже не можна описати незалежно один від одного. Так за допомогою квантових воріт можна створювати квантову заплутаність.
Звичайно, всередині квантового процесора немає маленьких дверцят, які відкриваються і закриваються. Квантові ворота — це математичний опис точно керованих фізичних впливів на кубіти. Залежно від того, як фізично реалізований кубіт, це можуть бути, наприклад, мікрохвильові або лазерні імпульси.
Такі операції можуть виконуватися дуже швидко, їхня тривалість залежить від технології та конкретного типу воріт. Наприклад, у надпровідних квантових процесорах деякі операції над кубітами виконуються за десятки або сотні наносекунд.
Квантова схема
Щоб виконати обчислення, процесор застосовує до кубітів цілу послідовність воріт. Така послідовність називається квантовою схемою. Крок за кроком ворота змінюють стан усієї системи кубітів відповідно до закладеного алгоритму.
Але чим довша така схема, тим складніше виконати її без помилок. Кубіти надзвичайно чутливі до шуму, а неточності окремих операцій можуть накопичуватися. Саме тому створити довгу й надійну послідовність квантових воріт — одна з головних проблем сучасних квантових комп’ютерів.
Та навіть якщо ми навчимося ідеально керувати кубітами, залишається ще одна фундаментальна проблема.
Проблема амплітуд
У суперпозиції квантова система може містити амплітуди багатьох можливих результатів. Але коли ми вимірюємо її, то отримуємо лише один конкретний результат. Тому недостатньо просто створити суперпозицію величезної кількості можливостей і сподіватися, що серед них знаходиться правильна відповідь.
Квантовий алгоритм має бути побудований так, щоб у процесі обчислення амплітуди одних результатів послаблювали одна одну, а інших — підсилювали. Тоді наприкінці обчислення ймовірність отримати корисний результат може стати значно більшою.
І робить це можливим ще одне фундаментальне явище квантової механіки — квантова інтерференція.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Наш Всесвіт“.