შეიძლება თუ არა კვანტურ კარიბჭეებს ჰქონდეთ მეტი შეყვანა, ვიდრე გამომავალი, ისევე როგორც კლასიკური კარიბჭეები?
კვანტური გამოთვლის სფეროში, კვანტური კარიბჭის კონცეფცია ფუნდამენტურ როლს ასრულებს კვანტური ინფორმაციის მანიპულირებაში. კვანტური კარიბჭე არის კვანტური სქემების სამშენებლო ბლოკები, რომლებიც კვანტური მდგომარეობების დამუშავებასა და ტრანსფორმაციას იძლევა. კლასიკური კარიბჭეებისგან განსხვავებით, კვანტურ კარიბჭეებს არ შეუძლიათ გააჩნდეთ მეტი შეყვანა, ვიდრე გამომავალი, რადგან მათ უნდა წარმოადგინონ ერთიანი ოპერაციები, ანუ შექცევადი.
კლასიკურ გამოთვლებში, კარიბჭეებს (როგორიცაა მაგალითად AND კარიბჭე და OR კარიბჭე) ჩვეულებრივ აქვთ ორი შესასვლელი და ერთი გამომავალი (ეს კარიბჭე მიეკუთვნება შეუქცევადი ლოგის ალგებრის კატეგორიას, თუმცა არის კლასიკური კარიბჭეებიც, რომლებსაც აქვთ იგივე რაოდენობის შეყვანა. და გამომავალი და შესაბამისად შექცევადია). თუმცა, კვანტურ გამოთვლებში გეიტს უნდა ახასიათებდეს უნიტარობის თვისება და, შესაბამისად, უნდა ჰქონდეს შეყვანისა და გამომავალი ერთი და იგივე რაოდენობა.
კვანტური კარიბჭის ერთ-ერთი არსებითი მახასიათებელია მათი უნიტარულობა, რაც იმას ნიშნავს, რომ მათ უნდა შეინარჩუნონ კვანტური მდგომარეობების ნორმალიზაცია და შექცევადი იყოს. ეს მოთხოვნა უზრუნველყოფს, რომ კვანტური ოპერაციები დეტერმინისტულია და მათი გაუქმება შესაძლებელია, რაც მნიშვნელოვანია კვანტური ინფორმაციის თანმიმდევრულობის შესანარჩუნებლად. უნიტარული ტრანსფორმაციების გამოყენებით, კვანტურ კარიბჭეებს შეუძლიათ განახორციელონ ოპერაციების ფართო სპექტრი, მათ შორის კვანტური ფურიეს გარდაქმნები, კვანტური ფაზის შეფასება და კვანტური ტელეპორტაცია.
კვანტური კარიბჭის საილუსტრაციო მაგალითი (აქვს იგივე რაოდენობის შეყვანა და გამომავალი) არის Controlled-NOT (CNOT) კარიბჭე. CNOT კარიბჭეს, რომელიც არის ორ კუბიტიანი კარიბჭე, აქვს ორი შემავალი კუბიტი და ორი გამომავალი კუბიტი. ის ასრულებს NOT ოპერაციას მეორე კუბიტზე (სამიზნე კუბიტი) მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ პირველი კუბიტი (საკონტროლო კუბიტი) არის |1⟩ მდგომარეობაში. ეს კარიბჭე ასახავს იმას, თუ როგორ შეუძლიათ კვანტურ კარიბჭეებს ერთდროულად რამდენიმე კუბიტის მანიპულირება, რაც ასახავს კვანტურ გამოთვლებში თანდაყოლილ პარალელიზმს, მაგრამ ასევე შექცევადობას.
გარდა ამისა, უნივერსალური კვანტური კარიბჭეები, როგორიცაა ჰადამარდის კარიბჭე, პაულის კარიბჭე და ფაზის კარიბჭე, CNOT კარიბჭესთან ერთად ქმნიან სრულ (უნივერსალურ) კომპლექტს, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას კვანტურ სისტემაზე ნებისმიერი უნიტარული ტრანსფორმაციის მიახლოებისთვის (სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, განახორციელოს ნებისმიერი სხვა კვანტური კარიბჭე ან კარიბჭეების ნაკრები). ეს უნივერსალური კარიბჭეები, შესაფერის კვანტურ ალგორითმებთან ერთად, იძლევა კვანტური სქემების რეალიზაციას, რომლებსაც შეუძლიათ რთული გამოთვლითი პრობლემების ეფექტურად გადაჭრა, რაც აღემატება კლასიკური კომპიუტერების შესაძლებლობებს გარკვეულ დომენებში.
კვანტურ კარიბჭეებს კვანტურ გამოთვლებში არ შეიძლება ჰქონდეს მეტი შეყვანა, ვიდრე გამომავალი, მათი უნიტარულობის თვისების გამო (რაც ითარგმნება გამოთვლის შექცევადობაზე, განსხვავებით ლოგიკური კლასიკური კარიბჭეებისგან, როგორიცაა მაგალითად NOR და NAND კარიბჭეები, ასევე სტანდარტული OR და AND კარიბჭეები. , ან XOR კარიბჭე, რომელიც შეესაბამება კლასიკურ CNOT კარიბჭეს, რომელიც არ ინახავს საკონტროლო ბიტს). შექცევადი კვანტური კარიბჭეები იძლევა დახვეწილ ოპერაციებს კუბიტებზე, რომლებიც იყენებენ კვანტური მექანიკის პრინციპებს. კვანტური კარიბჭეების მრავალფეროვნება და სიმძლავრე გამომდინარეობს მათი ერთიანობისა და კვანტური მდგომარეობების შექცევადი გზით მანიპულირების შესაძლებლობიდან, რაც გზას უხსნის კვანტური ალგორითმების განვითარებას ტრანსფორმაციული გამოთვლითი შესაძლებლობებით.
ფაქტობრივად, კვანტური ინფორმაციისა და გამოთვლითი თეორიის განვითარება კომპიუტერული ინჟინერიის საზოგადოების პერსპექტივიდან დაიწყო IBM მკვლევარმა ჩარლზ ბენეტმა, რომელიც განიხილავდა კლასიკურ შექცევად გამოთვლით არქიტექტურებს, გააცნობიერა, რომ კლასიკური ლოგიკური კარიბჭე შეუქცევადია და, შესაბამისად, კარგავს ინფორმაციას, ფანტავს ინფორმაციის კოდირებას. ენერგია სითბოს თვალსაზრისით (რომელიც ფორმალიზებული იყო ლანდაუერის პრინციპით c, რომ ლოგიკური კარიბჭის თითოეულ მოქმედებაში ერთი ბიტის წაშლაზე გაფანტული ენერგიის ოდენობის გამოთვლა ტოლია ln2, ანუ ბუნებრივი ლოგარითმი 2 გამრავლებული ბოლცმანის მუდმივზე. და ტემპერატურა) და, შესაბამისად, ასეთ არქიტექტურაში გარდაუვალია გამოთვლითი პროცესორების გათბობა, რაც დაბრკოლებას წარმოადგენდა შემდგომ მინიატურიზაციაში. ჩარლზ ბენეტი მიუბრუნდა შექცევად კლასიკურ კარიბჭეს, მაგრამ დაამტკიცა, რომ ერთი უნივერსალური კარიბჭე, რომელიც შექცევადია, არის მხოლოდ 3-ბიტიანი კარიბჭე (როგორიცაა ფრედკინის კარიბჭე ან ტოფოლის კარიბჭე, სხვაგვარად ცნობილი როგორც CCNOT, ან საკონტროლო-საკონტროლო-არა კარიბჭე). იმის გამო, რომ კლასიკური გამოთვლითი არქიტექტურის გადატანა ლოგიკური ლოგიკური კარიბჭეებიდან (როგორიცაა NAND, ერთი უნივერსალური კარიბჭე) 3-ბიტიან კარიბჭეზე არარეალური იქნება კომპიუტერულ პროცესორებში მარტივ ტრანზისტორებზე დანერგილი ლოგიკური კარიბჭის კარგად დამკვიდრებული ტექნიკური სტანდარტის გამო, ბენეტმა გადაინაცვლა. მისი ფოკუსირება კვანტურ გამოთვლის მოდელზე, რადგან ის უნდა ყოფილიყო შექცევადი კვანტურ ფიზიკაში დროის უნიტარობის ევოლუციის ფუნდამენტური თვისების გამო. ამან შემოიღო ახალი, ძლიერი განვითარების იმპულსი კვანტური ინფორმაციისა და გამოთვლითი თეორიის შემუშავებისა და ექსპერიმენტული რეალიზაციის შემდგომი განვითარებისთვის.
სხვა ბოლოდროინდელი კითხვები და პასუხები EITC/QI/QIF კვანტური ინფორმაციის საფუძვლები:
- კვანტური მდგომარეობების ამპლიტუდები ყოველთვის რეალური რიცხვებია?
- როგორ მუშაობს კვანტური უარყოფის კარიბჭე (quantum NOT ან Pauli-X კარიბჭე)?
- რატომ არის ჰადამარდის კარიბჭე თვითშექცევად?
- თუ ბელის მდგომარეობის 1-ლი კუბიტი გავზომოთ გარკვეულ საფუძველზე და შემდეგ გავზომოთ მე-2 კუბიტი გარკვეული კუთხით თეტა ბრუნვით, ალბათობა იმისა, რომ მიიღებთ პროექციას შესაბამის ვექტორთან, ტოლია თეტას სინუს კვადრატის?
- რამდენი ბიტი კლასიკური ინფორმაცია იქნება საჭირო თვითნებური კუბიტის სუპერპოზიციის მდგომარეობის აღსაწერად?
- რამდენი განზომილება აქვს 3 კუბიტის სივრცეს?
- გაანადგურებს თუ არა კუბიტის გაზომვა მის კვანტურ სუპერპოზიციას?
- მოიცავს თუ არა კვანტური კარიბჭეების უნივერსალური ოჯახი CNOT კარიბჭეს და ჰადამარდის კარიბჭეს?
- რა არის ორმაგი ჭრილის ექსპერიმენტი?
- არის თუ არა პოლარიზებული ფილტრის ბრუნვა ფოტონის პოლარიზაციის გაზომვის საფუძვლის შეცვლას?
იხილეთ მეტი კითხვა და პასუხი EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals-ში