کیوبیت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

در پردازش کوانتومی یک کیوبیت یا بیت کوانتومی واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک می‌باشد: کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی است. از نظر فیزیکی، کیوبیت یک سامانه کوانتومی دوحالتی است، یعنی سیستمی که توسط مکانیک کوانتومی به درستی قابل توصیف است و هنگام اندازه گیری یکی از دو حالت ممکن خود را اختیار می‌کند. مانند قطبش یک فوتون که در اینجا، جهتِ قطبشِ عمودی و جهتِ قطبشِ افقی دو حالت ممکن برای سامانه هستند. در یک سامانه کلاسیکی، هر بیت در هر لحظه یا در حالت صفر و یا در حالت یک است، اما اصل‌های مکانیک کوانتومی به کیوبیت اجازه می‌دهند که در همان حال، حالتی را برابر با برهم نهی دو حالت اصلی نیز اختیار کند، یک ویژگی که در پردازش کوانتومی بنیادی است. به عبارتی، یک کیوبیت هم ممکن است در حالت‌های کلاسیک صفر و یک وجود داشته باشد و هم می‌تواند در حالت ترکیب این دو قرار گیرد (یعنی همزمان دارای هر دو حالت صفر و یک باشد). در واقع همین پدیده، تفاوت اصلی بین بیت‌های کلاسیک و کیو بیت هاست. انتقال کیوبیت‌ها بنیان دانش دورنوردی کوانتومی است.

بیت در برابر کیوبیت[ویرایش]

یک بیت، واحد بنیادی اطلاعات در رایانه‌است. بدون توجه به شکل تحقق فیزیکی آن، بک بیت باید در هر لحظه یا نشان دهنده صفر و یا نشان دهندهٔ یک باشد، مانند یک چراغ که می‌توان حالت روشن را برابر یک و خاموش را برابر صفر فرض کرد. بک کیوبیت به بیت کلاسیک شباهت‌هایی دارد، اما در کل بسیار متفاوت است. اختلاف این است که در حالی که یک بیت کلاسیکی باید در هر لحظه یا در حالت صفر و یا در حالت یک باشد، یک کیوبیت می تواند در حالت صفر، یک و یا برهم نهی صفر و یک نیز قرار گیرد.

نمایش[ویرایش]

دو حالتی که در آن مقدار یک کیوبیت ممکن است اندازه گیری شود، حالت‌های پایه (یا بردارهای پایه) نامیده می‌شوند. مرسوم است که حالت‌های کوانتومی را، همانند حالت‌های کیوبیت‌ها، با نمادگذاری برا-کت دیراک نمایش می‌دهند. یعنی دو حالت پایه محاسباتی به صورت | 0 \rangle and | 1 \rangle نوشته می‌شوند که کتِ یک و کتِ صفر خوانده می‌شود.

حالت‌های کیوبیت[ویرایش]

نمایش کره بلوخ از یک کیوبیت و دامنه‌های احتمال در شکل برابر اند با:
 \alpha = \cos\left(\frac{\theta}{2}\right) and  \beta = e^{i \phi}  \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)


حالت یک کیوبیت خالص، برهم نهی خطی دو حالت پایه است؛ یعنی یک کیوبیت می‌تواند به صورت برهم نهی خطی |0 \rangle and |1 \rangle نمایش داده شود: | \psi \rangle = \alpha |0 \rangle + \beta |1 \rangle,\,

که در آن α و β در حالت کلی، مختلط هستند. هنگامی که مقدار این کیوبیت را در مبنای استاندارد اندازه می‌گیریم، احتمال رویداد |0 \rangle برابر | \alpha |^2 و احتمال رویداد |1 \rangle برابر | \beta |^2 است. چون مربعِ قدر مطلقِ دامنه‌ها برابر با احتمال است، و نتیچه آزمایش نیز یکی از دو حالت یاد شده خواهد بود، رابطه زیر بین α و β برقرار خواهد بود: | \alpha |^2 + | \beta |^2 = 1 \,

کرهٔ بلوخ[ویرایش]

حالت‌های ممکن برای یک کیوبیت را می‌توان با استفاده از کره بلوخ نمایش داد.(تصویر را ببینید). یک بیت کلاسیکی تنها می‌تواند در قطب شمال یا قطب جنوب کره قرار گیرد و بقیه نقاط کره برای آن در دسترس نیست. اما یک حالت کیوبیت خالص می‌تواند با هر نقطه روی کره نمایش داده شود.

سطح کره یک فضای دو بعدی است که نمایش دهندهٔ فضای حالت حالت‌های کیوبیت خالص می‌باشد. این فضای حالت دارای دو درجه آزادی است.

عملیات روی حالت‌های کیوبیت خالص[ویرایش]

چند عملیات فیزیکی می‌تواند روی حالت کیوبیت خالص انجام شود:

  • یک گیت منطقی کوانتومی می‌تواند روی یک کیوبیت عمل کند. به زبان ریاضی، کیوبیت تحت تبدیل یکه قرار می‌گیرد. تبدیل یکه متناظر با چرخش بردار کیوبیت روی کره بلوخ است.
  • اندازه گیری در مبنای استاندارد، که برای کسب اطلاعات از حالت کیوبیت انجام می‌شود. اندازه گیری حالت کیوبیت، حالت آن را تغییر می‌دهد ؛یعنی مقادیر α و β تغییر می‌کنند. برای مثال اگر نتیجه آزمایش |1 \rangle باشد، α به ۱ و β به ۰ تغییر مقدار می‌دهند.

درهم‌تنیدگی[ویرایش]

یک تفاوت مهم بین بیت‌های کلاسیکی و بیت‌های کوانتومی ، این است که چند کیوبیت می‌توانند با هم، درهم‌تنیدگی کوانتومی به نمایش بگذارند.

رجیستر کوانتومی[ویرایش]

چند کیوبیتِ درهم‌تنیده در کنار هم تشکیل یک رجیستر کیوبیت می‌دهند. رایانه‌های کوانتومی محاسبات را به وسیله عملیات روی کیوبیت‌ها در یک رجیستر انجام می‌دهند.

انواع کیوبیت‌ها[ویرایش]

تحقق فیزیکی[ویرایش]

منابع[ویرایش]