Квантовый логический вентиль - Википедия - Quantum logic gate

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Квантовый логический вентиль»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Февраль 2018 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В квантовые вычисления и особенно квантовая схема модель расчета, a квантовый логический вентиль (или просто квантовые ворота) является основным квантовая схема работает на небольшом количестве кубиты. Они являются строительными блоками квантовых схем, как и классические логические ворота предназначены для обычных цифровых схем.

В отличие от многих классических логических вентилей, квантовые логические вентили обратимый. Однако можно выполнять классические вычисления, используя только обратимые вентили. Например, обратимый Ворота Тоффоли может реализовать все логические функции, часто за счет использования вспомогательные биты. У ворот Тоффоли есть прямой квантовый эквивалент, показывающий, что квантовые схемы могут выполнять все операции, выполняемые классическими схемами.

Представление

Квантовые логические вентили представлены унитарные матрицы. Количество кубитов на входе и выходе гейта должно быть равным; ворота, которые действуют на ${ displaystyle n}$ кубиты представлены ${ Displaystyle 2 ^ {п} раз 2 ^ {п}}$ унитарная матрица. Квантовые состояния, на которые действуют ворота, являются векторами в ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ сложные размеры. Базовые векторы - это возможные результаты, если их измерить, а квантовое состояние - это линейная комбинация этих результатов. Наиболее распространенные квантовые вентили работают с пространствами из одного или двух кубитов, как и обычные классические логические ворота работают с одним или двумя битами.

Квантовые состояния обычно представлены «кетами», из математической записи, известной как бюстгальтер.

Векторное представление отдельного кубита:

${ displaystyle | a rangle = v_ {0} | 0 rangle + v_ {1} | 1 rangle rightarrow { begin {bmatrix} v_ {0} v_ {1} end {bmatrix}}}$,

Здесь, ${ displaystyle v_ {0}}$ и ${ displaystyle v_ {1}}$ являются сложный амплитуды вероятности кубита. Эти значения определяют вероятность измерения 0 или 1 при измерении состояния кубита. Видеть измерение подробности ниже.

Нулевое значение представлено кет ${ displaystyle | 0 rangle = { begin {bmatrix} 1 0 end {bmatrix}}}$, а значение один представлено кет ${ displaystyle | 1 rangle = { begin {bmatrix} 0 1 end {bmatrix}}}$.

В тензорное произведение (или же кронекер продукт ) используется для объединения квантовых состояний. Комбинированное состояние двух кубитов - это тензорное произведение двух кубитов. Тензорное произведение обозначается символом ${ displaystyle otimes}$.

Векторное представление двух кубитов:

${ displaystyle | ab rangle = | a rangle otimes | b rangle = v_ {00} | 00 rangle + v_ {01} | 01 rangle + v_ {10} | 10 rangle + v_ {11} | 11 rangle rightarrow { begin {bmatrix} v_ {00} v_ {01} v_ {10} v_ {11} end {bmatrix}}}$,

Действие гейта на конкретное квантовое состояние определяется с помощью умножение вектор ${ displaystyle | psi _ {1} rangle}$ которая представляет состояние, матрицей ${ displaystyle U}$ представляющий ворота. Результат - новое квантовое состояние ${ displaystyle | psi _ {2} rangle}$

${ Displaystyle U | psi _ {1} rangle = | psi _ {2} rangle}$

Известные примеры

Ворота Адамара (H)

Вентиль Адамара действует на отдельный кубит. Он отображает базовое состояние ${ displaystyle | 0 rangle}$ к ${ displaystyle { frac {| 0 rangle + | 1 rangle} { sqrt {2}}}}$ и ${ displaystyle | 1 rangle}$ к ${ displaystyle { frac {| 0 rangle - | 1 rangle} { sqrt {2}}}}$, что означает, что измерение с равной вероятностью станет 1 или 0 (т. е. создает суперпозиция ). Он представляет собой вращение ${ displaystyle pi}$ вокруг оси ${ displaystyle ({ hat {x}} + { hat {z}}) / { sqrt {2}}}$ на Сфера Блоха. Эквивалентно, это комбинация двух вращений, ${ displaystyle pi}$ вокруг оси Z, то на ${ displaystyle pi / 2}$ относительно оси Y: ${ Displaystyle R_ {y} ( pi / 2) R_ {z} ( pi) = iH}$. Он представлен Матрица Адамара:

Схематическое изображение ворот Адамара

${ displaystyle H = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 1 1 & -1 end {bmatrix}}}$.

Вентиль Адамара - это однокубитовая версия квантовое преобразование Фурье.

С ${ displaystyle HH ^ { dagger} = I}$ куда я - единичная матрица, ЧАС это унитарная матрица (как и все другие квантово-логические ворота).

Ворота Pauli-X

Квантовая принципиальная схема НЕ-затвора

Вентиль Pauli-X действует на один кубит. Это квантовый эквивалент НЕ ворота для классических компьютеров (относительно стандартного базиса ${ displaystyle | 0 rangle}$, ${ displaystyle | 1 rangle}$, что отличает Z-направление; в том смысле, что измерение собственное значение +1 соответствует классическому 1 /истинный и от -1 до 0 /ложный). Это приравнивается к вращению вокруг оси X Сфера Блоха к ${ displaystyle pi}$ радианы. Это карты ${ displaystyle | 0 rangle}$ к ${ displaystyle | 1 rangle}$ и ${ displaystyle | 1 rangle}$ к ${ displaystyle | 0 rangle}$. Из-за этого его иногда называют бит-флип. Он представлен Матрица Pauli X:

${ displaystyle X = { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}}}$.

Ворота Паули-И

Гейт Паули-Y действует на один кубит. Это равносильно вращению вокруг оси Y Сфера Блоха к ${ displaystyle pi}$ радианы. Это карты ${ displaystyle | 0 rangle}$ к ${ displaystyle i | 1 rangle}$ и ${ displaystyle | 1 rangle}$ к ${ displaystyle -i | 0 rangle}$. Он представлен Паули Матрица Y:

${ displaystyle Y = { begin {bmatrix} 0 & -i i & 0 end {bmatrix}}}$.

Паули-З (${ displaystyle R _ { pi}}$) ворота

Вентиль Pauli-Z действует на один кубит. Это равносильно вращению вокруг оси Z Сфера Блоха к ${ displaystyle pi}$ радианы. Таким образом, это частный случай фазовый вентиль (которые описаны в следующем подразделе) с ${ displaystyle phi = pi}$. Оставляет базовое состояние ${ displaystyle | 0 rangle}$ без изменений и карты ${ displaystyle | 1 rangle}$ к ${ displaystyle - | 1 rangle}$. Из-за этого его иногда называют фазовым переворотом. Он представлен Паули Матрица Z:

${ displaystyle Z = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & -1 end {bmatrix}}}$.

Матрицы Паули инволютивны

Квадрат матрицы Паули - это единичная матрица.

${ displaystyle I ^ {2} = X ^ {2} = Y ^ {2} = Z ^ {2} = - iXYZ = I}$

Квадратный корень из логического элемента НЕ (√НЕТ)

Квантовая принципиальная схема элемента извлечения квадратного корня из НЕ

Квадратный корень из НЕ ворот (или квадратный корень из Паули-X, ${ displaystyle { sqrt {X}}}$) действует на один кубит. Он отображает базовое состояние ${ displaystyle | 0 rangle}$ к ${ Displaystyle { гидроразрыва {(1 + я) | 0 rangle + (1-я) | 1 rangle} {2}}}$ и ${ displaystyle | 1 rangle}$ к ${ Displaystyle { гидроразрыва {(1-я) | 0 rangle + (1 + я) | 1 rangle} {2}}}$.

${ displaystyle { sqrt {X}} = { sqrt {NOT}} = { frac {1} {2}} { begin {bmatrix} 1 + i & 1-i 1-i & 1 + i end { bmatrix}}}$.

${ displaystyle X = ({ sqrt {NOT}}) ^ {2} = { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}}}$.

Квадратные корневые ворота могут быть построены для всех других ворот, найдя унитарную матрицу, которая, умноженная сама на себя, дает элемент, для которого желательно построить квадратный корневой элемент. Аналогично находятся все рациональные показатели всех ворот.

Сдвиг фазы (${ displaystyle R _ { phi}}$) ворота

Это семейство однокубитовых вентилей, отображающих базовые состояния ${ Displaystyle | 0 rangle mapsto | 0 rangle}$ и ${ displaystyle | 1 rangle mapsto e ^ {я phi} | 1 rangle}$. Вероятность измерения ${ displaystyle | 0 rangle}$ или же ${ displaystyle | 1 rangle}$ не изменяется после применения этого затвора, однако он изменяет фазу квантового состояния. Это эквивалентно начертанию горизонтального круга (линии широты) на сфере Блоха с помощью ${ displaystyle phi}$ радианы.

${ displaystyle R _ { phi} = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & e ^ {i phi} end {bmatrix}}}$

куда ${ displaystyle phi}$ это сдвиг фазы. Некоторыми типичными примерами являются ворота T, где ${ displaystyle phi = { frac { pi} {4}}}$, фазовый вентиль (пишется S, хотя S иногда используется для вентилей SWAP), где ${ displaystyle phi = { frac { pi} {2}}}$ и ворота Паули-З, где ${ displaystyle phi = pi}$.

Вентили фазового сдвига связаны друг с другом следующим образом:

${ displaystyle Z = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & e ^ {i pi} end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & -1 end {bmatrix}}}$

${ displaystyle S = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & e ^ {i { frac { pi} {2}}} end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & i end { bmatrix}} = { sqrt {Z}}}$

${ displaystyle T = { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & e ^ {i { frac { pi} {4}}} end {bmatrix}} = { sqrt {S}} = { sqrt [{ 4}] {Z}}}$

Произвольные однокубитовые вентили с фазовым сдвигом ${ displaystyle R _ { phi}}$ изначально доступны для трансмон квантовые процессоры за счет синхронизации управляющих микроволновых импульсов.^[1]

Контролируемый фазовый сдвиг

Двухкубитовый вентиль с фазовым сдвигом (иногда называемый CPHASE):

${ displaystyle CR _ { phi} = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 1 & 0 0 & 0 & 0 & e ^ {i phi} end {bmatrix}}}$

Что касается вычислительной основы, он сдвигает фазу на ${ displaystyle phi}$ только если он действует на государство ${ displaystyle | 11 rangle}$.

${ displaystyle | a, b rangle mapsto { begin {cases} | a, e ^ {i phi} b rangle & { mbox {for}} a = b = 1 | a, b rangle & { mbox {в противном случае.}} end {case}}}$

Своп (SWAP) гейт

Схематическое представление SWAP-ворот

Своп-гейт меняет местами два кубита. Что касается основы ${ displaystyle | 00 rangle}$, ${ displaystyle | 01 rangle}$, ${ displaystyle | 10 rangle}$, ${ displaystyle | 11 rangle}$, он представлен матрицей:

${ displaystyle { mbox {SWAP}} = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & 0 & 1 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 1 end {bmatrix}}}$.

Квадратный корень из Swap gate (√ЗАМЕНА)

Схема представления ${ displaystyle { sqrt { mbox {SWAP}}}}$ ворота

В ${ displaystyle { sqrt { mbox {SWAP}}}}$ gate выполняет наполовину обмен двумя кубитами. Он универсален, так что любой многокубитовый вентиль может быть построен только из ${ displaystyle { sqrt { mbox {SWAP}}}}$ и одиночные кубитные вентили. В ${ displaystyle { sqrt { mbox {SWAP}}}}$ ворота не запутываются, однако максимально; требуется более одного его применения для создания состояния Bell из состояний продукта. Что касается основы ${ displaystyle | 00 rangle}$, ${ displaystyle | 01 rangle}$, ${ displaystyle | 10 rangle}$, ${ displaystyle | 11 rangle}$, он представлен матрицей:

${ displaystyle { sqrt { mbox {SWAP}}} = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & { frac {1} {2}} (1 + i) & { frac {1} {2} } (1-i) & 0 0 & { frac {1} {2}} (1-i) & { frac {1} {2}} (1 + i) & 0 0 & 0 & 0 & 1 end { bmatrix}}}$.

Управляемые ворота (CX CY CZ)

Схематическое представление управляемого элемента НЕ

Управляемые вентили действуют на 2 или более кубитов, где один или несколько кубитов действуют как элемент управления для некоторой операции. Например, управляемые ворота НЕ (или CNOT или CX) действует на 2 кубита и выполняет операцию NOT на втором кубите только тогда, когда первый кубит ${ displaystyle | 1 rangle}$, а в остальном оставляет его без изменений. Что касается основы ${ displaystyle | 00 rangle}$, ${ displaystyle | 01 rangle}$, ${ displaystyle | 10 rangle}$, ${ displaystyle | 11 rangle}$, он представлен матрицей:

${ displaystyle { mbox {CNOT}} = { mbox {CX}} = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 1 0 & 0 & 1 & 0 end {bmatrix}}}$.

Ворота CNOT (или контролируемые Pauli-X) можно описать как ворота, отображающие ${ displaystyle | a, b rangle}$ к ${ displaystyle | a, a oplus b rangle}$.

В более общем плане, если U - вентиль, который работает с отдельными кубитами с матричным представлением

${ displaystyle U = { begin {bmatrix} u_ {00} & u_ {01} u_ {10} & u_ {11} end {bmatrix}}}$,

затем управляемый U-образный затвор - это вентиль, который работает с двумя кубитами таким образом, что первый кубит служит контролем. Он отображает базовые состояния следующим образом.

Схематическое представление контролируемых-U ворота

${ Displaystyle | 00 rangle mapsto | 00 rangle}$

${ displaystyle | 01 rangle mapsto | 01 rangle}$

${ displaystyle | 10 rangle mapsto | 1 rangle otimes U | 0 rangle = | 1 rangle otimes left (u_ {00} | 0 rangle + u_ {10} | 1 rangle right) }$

${ displaystyle | 11 rangle mapsto | 1 rangle otimes U | 1 rangle = | 1 rangle otimes left (u_ {01} | 0 rangle + u_ {11} | 1 rangle right) }$

Матрица, представляющая контролируемые U является

${ displaystyle { mbox {C}} (U) = { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & u_ {00} & u_ {01} 0 & 0 & u_ {10} & u_ {11} end {bmatrix}} }$.

управляемые вентили X, Y и Z

ворота с управляемым X

управляемый шлюз

ворота с управляемым Z

Когда U один из Матрицы Паули, σ_Икс, σ_у, или σ_z, соответствующие термины "контролируемые-Икс"," контролируемый-Y", или" контролируемый-Z"иногда используются.^[2] Иногда его сокращают до CX, CY и CZ.

Ворота Тоффоли (CCNOT)

Схема ворот Тоффоли

Ворота Тоффоли, названные в честь Томмазо Тоффоли; также называется воротами CCNOT или Deutsch ${ Displaystyle D ( pi / 2)}$ ворота; это 3-битный вентиль, который универсальный для классических вычислений, но не для квантовых вычислений. Квантовый вентиль Тоффоли - это тот же вентиль, определенный для 3 кубитов. Если мы ограничимся приемом только входных кубитов, ${ displaystyle | 0 rangle}$ и ${ displaystyle | 1 rangle}$, то если первые два бита находятся в состоянии ${ displaystyle | 1 rangle}$ он применяет Pauli-X (или НЕ) к третьему биту, иначе ничего не делает. Это пример управляемых ворот. Поскольку это квантовый аналог классического гейта, он полностью определяется таблицей истинности. Гейт Тоффоли универсален в сочетании с гейтом Адамара с одним кубитом.^[3]

Его также можно описать как ворота, отображающие ${ displaystyle | a, b, c rangle}$ к ${ displaystyle | a, b, c oplus ab rangle}$.

Фредкин (CSWAP) ворота

Схематическое изображение ворот Фредкина

Ворота Фредкина (также CSWAP или CS gate), названные в честь Эдвард Фредкин, является 3-битным вентилем, который выполняет контролируемый замена. это универсальный для классических вычислений. Он имеет то полезное свойство, что повсюду сохраняются числа нулей и единиц, что в бильярдный шар означает, что на входе выводится такое же количество шаров.

Муфта Ising (XX)

Вентиль Изинга (или вентиль ХХ) - это вентиль из 2 кубитов, который изначально реализован в некоторых квантовых компьютерах с захваченными ионами.^[4][5] Он определяется как

${ displaystyle XX _ { phi} = cos ( phi) I otimes Ii sin ( phi) sigma _ {x} otimes sigma _ {x} = { begin {bmatrix} cos ( phi) & 0 & 0 & -i sin ( phi) 0 & cos ( phi) & - i sin ( phi) & 0 0 & -i sin ( phi) & cos ( phi) & 0 -i sin ( phi) & 0 & 0 & cos ( phi) end {bmatrix}}}$,

Соединительный затвор Изинга (YY)

${ Displaystyle YY _ { phi} = { begin {bmatrix} cos ( phi) & 0 & 0 & я sin ( phi) 0 & cos ( phi) & - i sin ( phi) & 0 0 & -i sin ( phi) & cos ( phi) & 0 i sin ( phi) & 0 & 0 & cos ( phi) end {bmatrix}}}$,

Муфтовый затвор Ising (ZZ)

${ displaystyle ZZ _ { phi} = { begin {bmatrix} e ^ {i phi / 2} & 0 & 0 & 0 0 & e ^ {- i phi / 2} & 0 & 0 0 & 0 & e ^ {- i phi / 2} & 0 0 & 0 & 0 & e ^ {i phi / 2} конец {bmatrix}}}$^[6],

Deutsch (${ displaystyle D _ { theta}}$) ворота

Deutsch (или ${ displaystyle D _ { theta}}$) ворота, названные в честь физика Дэвид Дойч представляет собой трехкубитовый вентиль. Он определяется как

${ displaystyle | a, b, c rangle mapsto { begin {case} i cos ( theta) | a, b, c rangle + sin ( theta) | a, b, 1-c rangle & { mbox {for}} a = b = 1 | a, b, c rangle & { mbox {в противном случае.}} end {cases}}}$

К сожалению, работающий шлюз Deutsch остался вне досягаемости из-за отсутствия протокола. Однако был предложен способ реализации такого Deutsch gate с диполь-дипольным взаимодействием в нейтральных атомах.

Универсальные квантовые ворота

И CNOT, и ${ displaystyle { sqrt { mbox {SWAP}}}}$ являются универсальными двухкубитными вентилями и могут быть преобразованы друг в друга.

Неофициально набор универсальные квантовые ворота - это любой набор вентилей, к которому может быть сведена любая операция, возможная на квантовом компьютере, то есть любая другая унитарная операция может быть выражена как конечная последовательность вентилей из этого набора. Технически это невозможно с чем-то меньшим, чем бесчисленный множество вентилей, так как количество возможных квантовых вентилей неисчислимо, тогда как количество конечных последовательностей из конечного множества равно счетный. Чтобы решить эту проблему, нам нужно только, чтобы любая квантовая операция могла быть аппроксимирована последовательностью вентилей из этого конечного набора. Более того, для унитарные на постоянном количестве кубитов Теорема Соловая – Китаева. гарантирует, что это можно сделать эффективно.

Распространенным универсальным набором ворот является Клиффорд Набор ворот + T, который состоит из ворот CNOT, H, S и T. (Набор Клиффорда сам по себе не универсален и может эффективно моделироваться классическим методом Теорема Готтесмана-Книлла.)

Набор универсальных квантовых вентилей с одним вентилем также может быть сформулирован с использованием трехкубита Deutsch gate ${ Displaystyle D ( theta)}$, который выполняет преобразование^[7]

${ displaystyle | a, b, c rangle mapsto { begin {case} i cos ( theta) | a, b, c rangle + sin ( theta) | a, b, 1-c rangle & { mbox {for}} a = b = 1 | a, b, c rangle & { mbox {в противном случае.}} end {cases}}}$

Универсальный логический вентиль для обратимых классических вычислений, Ворота Тоффоли, сводится к Deutsch gate, ${ displaystyle D ({ begin {matrix} { frac { pi} {2}} end {matrix}})}$, тем самым показывая, что все обратимые классические логические операции могут выполняться на универсальном квантовом компьютере.

Также существует один двухкубитный вентиль, достаточный для универсальности, учитывая, что он может применяться к любым парам кубитов. ${ Displaystyle (к, к + 1) модуль п}$ по цепи шириной ${ displaystyle n}$.^[8]

Другой набор универсальных квантовых вентилей состоит из вентилей Изинга и вентилей фазового сдвига. Это набор вентилей, изначально доступных в некоторых квантовых компьютерах с захваченными ионами.^[5]

Состав схемы

Последовательно подключенные ворота

Два входа Y и X последовательно. Порядок, в котором они появляются на проводе, меняется на обратный при их умножении.

Предположим, что у нас есть два гейта A и B, которые действуют на ${ displaystyle n}$ кубиты. Когда B ставится после A (последовательная схема), то действие двух ворот можно описать как один элемент C.

${ Displaystyle C = B cdot A}$

Где ${ displaystyle cdot}$ это обычный матричное умножение. Результирующий вентиль C будет иметь те же размеры, что и A и B. Порядок, в котором вентили появляются на принципиальной схеме, меняется на обратный при их умножении.^[9][10]

Например, поставив ворота Pauli X после вентиль Паули Y, оба из которых действуют на один кубит, можно описать как один комбинированный вентиль C:

${ displaystyle C = X cdot Y = { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}} cdot { begin {bmatrix} 0 & -i i & 0 end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} i & 0 0 & -i end {bmatrix}}}$

Символ продукта (${ displaystyle cdot}$) часто опускается.

Параллельные ворота

Двое ворот ${ displaystyle Y}$ и ${ displaystyle X}$ параллельно эквивалентно воротам ${ displaystyle Y otimes X}$

В тензорное произведение (или же кронекер продукт ) двух квантовых вентилей - это вентиль, который равен двум вентилям, включенным параллельно.^[11][12]

Если мы, как на картинке, объединим ворота Паули-Y параллельно с воротами Паули-Х, то это можно записать так:

${ displaystyle C = Y otimes X = { begin {bmatrix} 0 & -i i & 0 end {bmatrix}} otimes { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} 0 { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}} & - i { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}} i { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}} & 0 { begin {bmatrix} 0 & 1 1 & 0 end {bmatrix}} end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & -i 0 & 0 & -i & 0 0 & i & 0 & 0 i & 0 & 0 & 0 end {bmatrix}}}$

И вентиль Pauli-X, и вентиль Pauli-Y действуют на один кубит. Получившиеся ворота ${ displaystyle C}$ действуют на два кубита.

Преобразование Адамара

Ворота ${ displaystyle H_ {2} = H otimes H}$ ворота Адамара (${ displaystyle H}$) применяется параллельно к 2 кубитам. Это можно записать так:

${ displaystyle H_ {2} = H otimes H = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 1 1 & -1 end {bmatrix}} otimes { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 1 1 & -1 end {bmatrix}} = { frac {1} {2}} { begin {bmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 & -1 1 & 1 & -1 & -1 1 & -1 & -1 & 1 end {bmatrix}}}$

Этот «двухкубитный параллельный вентиль Адамара» будет применяться, например, к двухкубитному нулевому вектору (${ displaystyle | 00 rangle}$), создать квантовое состояние, которое с равной вероятностью будет наблюдаться при любом из четырех возможных результатов; 00, 01, 10 и 11. Мы можем записать эту операцию как:

${ displaystyle H_ {2} | 00 rangle = { frac {1} {2}} { begin {bmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 & -1 1 & 1 & -1 & -1 1 & -1 & -1 & 1 end {bmatrix}} { begin {bmatrix} 1 0 0 0 end {bmatrix}} = { frac {1} {2}} { begin {bmatrix} 1 1 1 1 end {bmatrix}} = { frac {1} {2}} | 00 rangle + { frac {1} {2}} | 01 rangle + { frac {1} {2 }} | 10 rangle + { frac {1} {2}} | 11 rangle = { frac {| 00 rangle + | 01 rangle + | 10 rangle + | 11 rangle} {2}} }$

Здесь амплитуда для каждого измеряемого состояния равна ${ displaystyle { frac {1} {2}}}$. Вероятность наблюдения какого-либо состояния - это квадрат абсолютного значения амплитуды измеряемых состояний, что в приведенном выше примере означает, что каждый четвертый наблюдаем любой из четырех отдельных случаев. Видеть измерение для подробностей.

${ displaystyle H_ {2}}$ выполняет Преобразование Адамара на двух кубитах. Аналогично ворота ${ displaystyle underbrace {H otimes H otimes dots otimes H} _ {n { text {times}}} = bigotimes _ {1} ^ {n} H = H ^ { otimes n} = H_ {n}}$ выполняет преобразование Адамара на регистр из ${ displaystyle n}$ кубиты.

Применительно к реестру ${ displaystyle n}$ все кубиты инициализированы ${ displaystyle | 0 rangle}$, преобразование Адамара помещает квантовый регистр в суперпозицию с равной вероятностью измерения в любом из его ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ возможные состояния:

${ displaystyle bigotimes _ {0} ^ {n-1} H bigotimes _ {0} ^ {n-1} | 0 rangle = { frac {1} { sqrt {2 ^ {n}}} } { begin {bmatrix} 1 1 vdots 1 end {bmatrix}} = { frac {1} { sqrt {2 ^ {n}}}} { Big (} | 0 rangle + | 1 rangle + dots + | 2 ^ {n} -1 rangle { Big)} = { frac {1} { sqrt {2 ^ {n}}}} sum _ {i = 0} ^ {2 ^ {n} -1} | я rangle}$

Это состояние равномерная суперпозиция и создается как первый шаг в некоторых алгоритмах поиска, например в усиление амплитуды и оценка фазы.

Измерение это состояние приводит к случайный номер между ${ displaystyle | 0 rangle}$ и ${ displaystyle | 2 ^ {n} -1 rangle}$. Насколько случайным будет число, зависит от верность логических ворот. Если не измерять, это квантовое состояние с равной амплитудой вероятности ${ displaystyle { frac {1} { sqrt {2 ^ {n}}}}}$ для каждого из его возможных состояний.

Преобразование Адамара действует на регистр ${ displaystyle | psi rangle}$ с ${ displaystyle n}$ кубиты такие, что ${ displaystyle | psi rangle = bigotimes _ {i = 0} ^ {n-1} | psi _ {i} rangle}$ следующее:

${ displaystyle bigotimes _ {0} ^ {n-1} H | psi rangle = bigotimes _ {i = 0} ^ {n-1} { frac {| 0 rangle + (- 1) ^ { psi _ {i}} | 1 rangle} { sqrt {2}}} = { frac {1} { sqrt {2 ^ {n}}}} bigotimes _ {i = 0} ^ { n-1} { Big (} | 0 rangle + (- 1) ^ { psi _ {i}} | 1 rangle { Big)} = H | psi _ {0} rangle otimes H | psi _ {1} rangle otimes cdots otimes H | psi _ {n-1} rangle}$

Применение на запутанных состояниях

Если два или более кубита рассматриваются как единое квантовое состояние, это комбинированное состояние равно тензорному произведению составляющих кубитов. Любое состояние, которое может быть записано как тензорное произведение составляющих подсистем, называется разделимые состояния. С другой стороны, запутанное состояние любое состояние, которое не может быть подвергнуто тензорно-факторизации, или другими словами: Запутанное состояние не может быть записано как тензорное произведение составляющих его состояний кубитов. Следует проявлять особую осторожность при применении вентилей к составляющим кубитам, которые составляют запутанные состояния.

Если у нас есть набор из N запутанных кубитов, и мы хотим применить квантовый вентиль к M единичная матрица так что их тензорное произведение становится вентилем, действующим на N кубитов. Единичная матрица (${ displaystyle I}$) - это представление элемента, который отображает каждое состояние в себя (т.е. вообще ничего не делает). На принципиальной схеме элемент идентичности или матрица будут отображаться как просто провод.

Пример приведен в тексте. Ворота Адамара ${ displaystyle H}$ действует только на 1 кубит, но ${ displaystyle | psi rangle}$ представляет собой запутанное квантовое состояние, охватывающее 2 кубита. В нашем примере ${ displaystyle | psi rangle = { frac {| 00 rangle + | 11 rangle} { sqrt {2}}}}$

Например, ворота Адамара (${ displaystyle H}$) действует на один кубит, но если мы, например, скармливаем ему первый из двух кубитов, составляющих запутанный Состояние колокола ${ displaystyle { frac {| 00 rangle + | 11 rangle} { sqrt {2}}}}$, мы не можем легко написать эту операцию. Нам нужно расширить ворота Адамара ${ displaystyle H}$ с идентификационными воротами ${ displaystyle I}$ так что мы можем воздействовать на квантовые состояния, которые охватывают два кубиты:

${ displaystyle K = H otimes I = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 1 1 & -1 end {bmatrix}} otimes { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & 1 end {bmatrix}} = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 0 & 1 & 0 0 & 1 & 0 & 1 1 & 0 & -1 & 0 0 & 1 & 0 & -1 end {bmatrix} }}$

Ворота ${ displaystyle K}$ теперь может применяться к любому двухкубитному состоянию, запутанному или другому. Ворота ${ displaystyle K}$ оставит второй кубит нетронутым и применит преобразование Адамара к первому кубиту. Если применить к состоянию Bell в нашем примере, мы можем записать это как:

${ displaystyle K { frac {| 00 rangle + | 11 rangle} { sqrt {2}}} = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 0 & 1 & 0 0 & 1 & 0 & 1 1 & 0 & -1 & 0 0 & 1 & 0 & -1 end {bmatrix}} { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 0 0 1 end { bmatrix}} = { frac {1} {2}} { begin {bmatrix} 1 1 1 - 1 end {bmatrix}} = { frac {| 00 rangle + | 01 rangle + | 10 rangle - | 11 rangle} {2}}}$

В временная сложность за умножение два ${ Displaystyle п раз п}$-матриц не менее ${ Displaystyle Omega (п ^ {2} журнал (п))}$^[13], если используется классический станок. Потому что размер ворот, которые работают на ${ displaystyle q}$ кубиты ${ displaystyle 2 ^ {q} times 2 ^ {q}}$ это означает, что время для моделирования шага в квантовой схеме (посредством умножения вентилей), который работает с типичными запутанными состояниями, равно ${ displaystyle Omega ({2 ^ {q}} ^ {2} журнал ({2 ^ {q}}))}$. По этой причине считается несговорчивый для моделирования больших запутанных квантовых систем с помощью классических компьютеров. В Клиффорд Гейтс является примером набора вентилей, который, однако, можно эффективно моделировать на классических компьютерах.

Унитарная инверсия ворот

Пример: Унитарное обратное произведение Адамара-CNOT. Три ворот ${ displaystyle H}$, ${ displaystyle I}$ и ${ displaystyle CNOT}$ являются их собственными унитарными обратными.

Потому что все квантовые логические ворота обратимый, любая композиция из нескольких ворот также обратима. Все произведения и тензорные произведения унитарные матрицы также являются унитарными матрицами. Это означает, что можно построить инверсию всех алгоритмов и функций, если они содержат только вентили.

Инициализация, измерение, Ввод / вывод и спонтанный декогеренция находятся побочные эффекты в квантовых компьютерах. Однако ворота чисто функциональный и биективный.

Если функция ${ displaystyle F}$ продукт ${ displaystyle m}$ ворота (${ Displaystyle F = A_ {1} cdot A_ {2} cdot ... cdot A_ {m}}$), унитарную обратную функцию, ${ displaystyle F ^ { dagger}}$, могут быть построены:

Потому что ${ displaystyle (UV) ^ { dagger} = V ^ { dagger} U ^ { dagger}}$ у нас после рекурсивного применения на себе

${ displaystyle F ^ { dagger} = left ( prod _ {0$

Аналогично, если функция ${ displaystyle G}$ состоит из двух ворот ${ displaystyle A}$ и ${ displaystyle B}$ параллельно, то ${ displaystyle G = A otimes B}$ и ${ displaystyle G ^ { dagger} = (A otimes B) ^ { dagger} = A ^ { dagger} otimes B ^ { dagger}}$

Кинжал (${ displaystyle dagger}$) обозначает комплексно сопряженный из транспонировать. Его еще называют Эрмитово сопряженный.

Гейты, которые являются собственными унитарными обратными, называются Эрмитский или же самосопряженные операторы. Некоторые элементарные ворота, такие как Адамар (H) и Ворота Паули (I, X, Y, Z) являются эрмитовыми операторами, в то время как другие, такие как фазовый сдвиг (S, T) и вентили Изинга (XX, YY, ZZ), нет. Неэрмитские врата иногда называют косоэрмитский, или же сопряженные операторы.

С ${ displaystyle F}$ - унитарная матрица, ${ Displaystyle F ^ { dagger} F = FF ^ { dagger} = I}$ и ${ Displaystyle F ^ { dagger} = F ^ {- 1}}$

Например, алгоритм сложения может в некоторых ситуациях использоваться для вычитания, если он «выполняется в обратном порядке», как его унитарно-обратный. В обратное квантовое преобразование Фурье является унитарным обратным. Унитарные инверсии также могут использоваться для невычисление. Языки программирования для квантовых компьютеров, такие как Microsoft с Q #^[14] и Бернхард Омер с QCL, содержат инверсию функций как концепции программирования.

Измерение

Схема измерения. Две линии с правой стороны представляют классический бит, а единственная линия с левой стороны представляет собой кубит.

Дальнейшая информация: Измерение в квантовой механике

Измерение (иногда называемое наблюдение) является необратимым и, следовательно, не является квантовым вентилем, поскольку присваивает наблюдаемой переменной одно значение. Измерение берет квантовое состояние и проецирует его на одно из базовые векторы, с вероятностью, равной квадрату глубины вектора ( норма или же модуль ) вдоль этого базового вектора. Это стохастический необратимая операция, поскольку она устанавливает квантовое состояние равным базовому вектору, который представляет измеренное состояние (состояние "схлопывается" до определенного единственного значения). Почему и как, или даже если это так, называется проблема измерения.

Вероятность измерения значения с помощью амплитуда вероятности ${ displaystyle phi}$ является ${ displaystyle 1 geq | phi | ^ {2} geq 0}$, куда ${ displaystyle | cdot |}$ это модуль.

Измерение отдельного кубита, квантовое состояние которого представлено вектором ${ displaystyle a | 0 rangle + b | 1 rangle = { begin {bmatrix} a b end {bmatrix}}}$, приведет к ${ displaystyle | 0 rangle}$ с вероятностью ${ Displaystyle | а | ^ {2}}$, И в ${ displaystyle | 1 rangle}$ с вероятностью ${ displaystyle | b | ^ {2}}$.

Например, измерение кубита с квантовым состоянием ${ displaystyle { frac {| 0 rangle -i | 1 rangle} { sqrt {2}}} = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 -i end {bmatrix}}}$ даст с равной вероятностью либо ${ displaystyle | 0 rangle}$ или же ${ displaystyle | 1 rangle}$.

Для одного кубита у нас есть единичная сфера в ${ Displaystyle mathbb {C} ^ {2}}$ с квантовым состоянием ${ displaystyle a | 0 rangle + b | 1 rangle}$ такой, что ${ displaystyle | a | ^ {2} + | b | ^ {2} = 1}$. Состояние можно переписать как ${ Displaystyle | соз тета | ^ {2} + | грех тета | ^ {2} = 1}$, или же ${ Displaystyle | а | ^ {2} = соз ^ {2} theta}$ и ${ displaystyle | b | ^ {2} = грех ^ {2} theta}$.
Примечание: ${ Displaystyle | а | ^ {2}}$ вероятность измерения ${ displaystyle | 0 rangle}$ и ${ displaystyle | b | ^ {2}}$ вероятность измерения ${ displaystyle | 1 rangle}$.

Квантовое состояние ${ displaystyle | Psi rangle}$ что охватывает ${ displaystyle n}$ кубиты можно записать как вектор в ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ сложный размеры: ${ Displaystyle | Psi rangle in mathbb {C} ^ {2 ^ {n}}}$. Это потому, что тензорное произведение ${ displaystyle n}$ кубиты - это вектор в ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ размеры. Таким образом, регистр из ${ displaystyle n}$ кубиты можно измерить до ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ различные состояния, аналогично тому, как регистр ${ displaystyle n}$ классический биты может держать ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ различные состояния. В отличие от битов классических компьютеров, квантовые состояния могут иметь ненулевые амплитуды вероятности в нескольких измеряемых значениях одновременно. Это называется суперпозиция.

Сумма всех вероятностей для всех исходов всегда должна быть равна ${ displaystyle 1}$. Другой способ сказать это: теорема Пифагора обобщены на ${ displaystyle mathbb {C} ^ {2 ^ {n}}}$ все квантовые состояния ${ displaystyle | Psi rangle}$ с ${ displaystyle n}$ кубиты должны удовлетворять ${ displaystyle 1 = sum _ {x = 0} ^ {2 ^ {n} -1} | a_ {x} | ^ {2}}$, куда ${ displaystyle a_ {x}}$ амплитуда вероятности для измеримого состояния ${ Displaystyle | х rangle}$. Геометрическая интерпретация этого состоит в том, что возможные пространство значений квантового состояния ${ displaystyle | Psi rangle}$ с ${ displaystyle n}$ кубиты - это поверхность единичная сфера в ${ displaystyle mathbb {C} ^ {2 ^ {n}}}$ и что унитарные преобразования (то есть квантовые логические вентили), примененные к нему, представляют собой вращения на сфере. Таким образом, измерение представляет собой вероятностную проекцию или тень точек на поверхности этого объекта. сложный сфера на базисные векторы которые охватывают пространство (и маркируют результаты).

Во многих случаях пространство представлено как Гильбертово пространство ${ displaystyle { mathcal {H}}}$ а не какие-то конкретные ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$-мерное сложное пространство. Количество измерений (определяемое базисными векторами и, следовательно, также возможные результаты измерения) часто подразумевается операндами, например, как требуемое пространство состояний для решения проблема. В Алгоритм Гровера, Lov назвал этот базовый векторный набор "база данных".

Выбор базисных векторов для измерения квантового состояния повлияет на результат измерения.^[15] Видеть Энтропия фон Неймана для подробностей. В этой статье мы всегда используем вычислительный основа, что означает, что мы пометили ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ базисные векторы ${ displaystyle n}$-кубит регистр ${ displaystyle | 0 rangle, | 1 rangle, | 2 rangle, cdots, | 2 ^ {n} -1 rangle}$, или используйте двоичное представление ${ displaystyle | 0_ {10} rangle = | 0 dots 00_ {2} rangle, | 1_ {10} rangle = | 0 dots 01_ {2} rangle, | 2_ {10} rangle = | 0 dots 10_ {2} rangle, cdots, | 2 ^ {n} -1 rangle = | 111 dots 1_ {2} rangle}$.

В области квантовых вычислений обычно предполагается, что базисные векторы составляют ортонормированный базис.

Пример использования альтернативной базы оценки приведен в BB84 шифр.

Влияние измерения на запутанные состояния

Вентиль Адамара-CNOT, который при задании входного ${ displaystyle | 00 rangle}$ производит Состояние колокола.

Если два квантовые состояния (т.е. кубиты, или же регистры ) находятся запутанный (это означает, что их объединенное состояние не может быть выражено как тензорное произведение ), измерение одного регистра влияет или показывает состояние другого регистра, частично или полностью сворачивая его состояние. Этот эффект можно использовать для вычислений и используется во многих алгоритмах.

Комбинация Адамара-CNOT действует на нулевое состояние следующим образом:

${ displaystyle CNOT (H otimes I) | 00 rangle = { Bigg (} { begin {bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 0 & 1 0 & 0 & 1 & 0 end {bmatrix}} { Big (} { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 & 1 1 & -1 end {bmatrix}} otimes { begin {bmatrix} 1 & 0 0 & 1 end {bmatrix}} { Big )} { Bigg)} { begin {bmatrix} 1 0 0 0 end {bmatrix}} = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 0 0 1 end {bmatrix}} = { frac {| 00 rangle + | 11 rangle} { sqrt {2}}}}$

Состояние Bell в тексте ${ displaystyle | Psi rangle = a | 00 rangle + b | 01 rangle + c | 10 rangle + d | 11 rangle}$ куда ${ displaystyle a = d = { frac {1} { sqrt {2}}}}$ и ${ displaystyle b = c = 0}$. Поэтому его можно описать сложный самолет охватывает базисные векторы ${ displaystyle | 00 rangle}$ и ${ displaystyle | 11 rangle}$, как на картинке. В единичная сфера (в ${ displaystyle mathbb {C} ^ {4}}$), которые представляют собой возможные пространство значений 2-кубитовой системы пересекает плоскость и ${ displaystyle | Psi rangle}$ лежит на поверхности единичных сфер. Потому что ${ Displaystyle | а | ^ {2} = | d | ^ {2} = 1/2}$, существует равная вероятность измерения этого состояния до ${ displaystyle | 00 rangle}$ или же ${ displaystyle | 11 rangle}$, и нулевая вероятность его измерения ${ displaystyle | 01 rangle}$ или же ${ displaystyle | 10 rangle}$.

Это результирующее состояние является Состояние колокола ${ displaystyle { frac {| 00 rangle + | 11 rangle} { sqrt {2}}} = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 0 0 1 end {bmatrix}}}$. Его нельзя описать как тензорное произведение двух кубитов. Нет решения для

${ displaystyle { begin {bmatrix} x y end {bmatrix}} otimes { begin {bmatrix} w z end {bmatrix}} = { begin {bmatrix} xw xz yw yz end {bmatrix}} = { frac {1} { sqrt {2}}} { begin {bmatrix} 1 0 0 1 end {bmatrix}}}$

потому что например ${ displaystyle w}$ должен быть как ненулевым, так и нулевым в случае ${ displaystyle xw}$ и ${ displaystyle yw}$.

Квантовое состояние пролеты два кубита. Это называется запутанность. Измерение одного из двух кубитов, составляющих это состояние Белла, приведет к тому, что другой кубит по логике должен иметь такое же значение, оба должны быть одинаковыми: либо он будет найден в состоянии ${ displaystyle | 00 rangle}$, или в состоянии ${ displaystyle | 11 rangle}$. Если мы измеряем, что один из кубитов, например, ${ displaystyle | 1 rangle}$, то другой кубит также должен быть ${ displaystyle | 1 rangle}$, потому что их совокупное состояние стал ${ displaystyle | 11 rangle}$. Измерение одного из кубитов приводит к коллапсу всего квантового состояния, охватывающего два кубита.

В Состояние GHZ похожее запутанное квантовое состояние, которое охватывает три или более кубитов.

Этот тип присвоения значений происходит мгновенно на любом расстоянии и это было экспериментально подтверждено на 2018 год QUESS на расстояния до 1200 километров.^[16][17][18] То, что явления, кажется, происходят мгновенно, в отличие от времени, которое потребовалось бы, чтобы преодолеть расстояние, разделяющее кубиты со скоростью света, называется Парадокс ЭПР, и это открытый вопрос в физике, как решить эту проблему. Первоначально она была решена отказом от предположения местный реализм, но другие интерпретации также появились. Для получения дополнительной информации см. Белл тестовые эксперименты. В теорема о запрете общения доказывает, что это явление не может быть использовано для сверхсветовой коммуникации классическая информация.

Измерение регистров с попарно запутанными кубитами

Влияние унитарного преобразования F на регистр A, который находится в суперпозиции ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ состояний и попарно сцеплены с регистром B. Здесь ${ displaystyle n}$ равно 3 (в каждом регистре по 3 кубита).

Взять регистр А с ${ displaystyle n}$ все кубиты инициализированы ${ displaystyle | 0 rangle}$, и кормить его через параллельные ворота Адамара ${ displaystyle bigotimes _ {1} ^ {n} H}$. Регистр A войдет в состояние ${ displaystyle { frac {1} { sqrt {2 ^ {n}}}} sum _ {k = 0} ^ {2 ^ {n} -1} | k rangle}$ которые имеют равную вероятность при измерении оказаться в любом из ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ возможные состояния; ${ displaystyle | 0 rangle}$ к ${ displaystyle | 2 ^ {n} -1 rangle}$. Возьмите второй регистр B, также с ${ displaystyle n}$ кубиты инициализированы в ${ displaystyle | 0 rangle}$ и попарно CNOT его кубиты с кубитами в регистре A, так что для каждого ${ displaystyle p}$ кубиты ${ displaystyle A_ {p}}$ и ${ displaystyle B_ {p}}$ формирует государство ${ displaystyle | A_ {p} B_ {p} rangle = { frac {| 00 rangle + | 11 rangle} { sqrt {2}}}}$

Если мы теперь измеряем кубиты в регистре A, то будет обнаружено, что регистр B содержит то же значение, что и A. Если мы вместо этого применим квантовый логический вентиль ${ displaystyle F}$ на A, а затем измерить, затем ${ displaystyle | A rangle = F | B rangle iff F ^ { dagger} | A rangle = | B rangle}$, куда ${ displaystyle F ^ { dagger}}$ это унитарный обратный из ${ displaystyle F}$.

Из-за того, как унитарные инверсии ворот действовать, ${ Displaystyle F ^ { dagger} | A rangle = F ^ {- 1} (| A rangle) = | B rangle}$. Например, скажите ${ Displaystyle F (х) = х + 3 { pmod {2 ^ {n}}}}$, тогда ${ displaystyle | B rangle = | A-3 { pmod {2 ^ {n}}} rangle}$.

Равенство будет выполняться независимо от того, в каком порядке выполняется измерение (в регистрах A или B), при условии, что ${ displaystyle F}$ закончил оценку.Измерение может быть даже случайным и одновременно чередующимся кубитом за кубитом, поскольку измерение одного кубита ограничивает возможное пространство значений от других запутанных кубитов.

Несмотря на то, что равенства сохраняются, вероятности измерения возможных результатов могут измениться в результате применения ${ displaystyle F}$, что может быть целью алгоритма квантового поиска.

Этот эффект разделения ценностей через запутанность используется в Алгоритм Шора, оценка фазы И в квантовый счет. С использованием преобразование Фурье для усиления амплитуд вероятностей состояний решения для некоторых проблема это общий метод, известный как "Фурье-рыбалка ". Смотрите также усиление амплитуды.

Синтез логических функций

Унитарные преобразования, которые недоступны в наборе вентилей, изначально доступных на квантовом компьютере (примитивные вентили), могут быть синтезированы или аппроксимированы путем объединения доступных примитивных вентилей в схема. Один из способов сделать это - разложить матрицу, кодирующую унитарное преобразование, на произведение тензорных произведений (т. Е. Последовательных и параллельных комбинаций) доступных примитивных вентилей. В группа U (2^q) это группа симметрии для ворот, которые действуют на ${ displaystyle q}$ кубиты. В Теорема Соловая – Китаева. показывает, что с учетом достаточный набор примитивных ворот существует эффективное приближение для любых ворот. Факторизация тогда проблема поиска пути в U (2^q) от генераторная установка примитивных ворот. Для большого количества кубитов этот прямой подход к решению проблемы несговорчивый для классических компьютеров.^[19]

Унитарные преобразования (функции), которые состоят только из элементов, могут быть полностью описаны как матрицы, как и примитивные элементы. Если функция ${ displaystyle F}$ является унитарным преобразованием, отображающим ${ displaystyle n}$ кубиты из ${ displaystyle | psi rangle}$ к ${ Displaystyle | F ( psi) rangle}$, то матрица, представляющая это преобразование, имеет размер ${ Displaystyle 2 ^ {п} раз 2 ^ {п}}$. Например, функция, которая действует на «кубит» (регистр из 8 кубитов), может быть описана как матрица с ${ displaystyle 2 ^ {8} times 2 ^ {8} = 256 times 256}$ элементы.

Потому что ворота унитарный природа, все функции должны быть обратимый и всегда быть биективный сопоставления ввода и вывода. Всегда должна существовать функция ${ displaystyle F ^ {- 1}}$ такой, что ${ Displaystyle F ^ {- 1} (F (| psi rangle)) = | psi rangle}$. Необратимые функции можно сделать обратимыми, добавив вспомогательные кубиты ко входу или выходу, или к обоим. Например, при реализации логической функции, у которой количество входных и выходных кубитов не одинаково, дополнительные кубиты должны использоваться как «заполнители». Тогда вспомогательные кубиты могут быть не вычислимый или оставить нетронутым. Измерение или иное коллапсирование квантового состояния вспомогательного кубита (например, путем повторной инициализации его значения или его спонтанного декогеренция ), которые не были вычислены, могут привести к ошибкам^[20][21], поскольку их состояние может быть связано с кубитами, которые все еще используются в вычислениях.

Логически необратимые операции, например сложение по модулю ${ Displaystyle 2 ^ {п}}$ из двух ${ displaystyle n}$-кубит регистры a и b, ${ Displaystyle F (a, b) = a + b { pmod {2 ^ {n}}}}$, можно сделать логически обратимым, добавив информацию к выходу, так что вход можно вычислить по выходу (т.е. существует функция ${ displaystyle F ^ {- 1}}$). В нашем примере это можно сделать, передав один из входных регистров выходу: ${ Displaystyle F (| a rangle otimes | b rangle) = | a + b { pmod {2 ^ {n}}} rangle otimes | a rangle}$. Затем вывод можно использовать для вычисления ввода (т.е. с учетом вывода ${ displaystyle a + b}$ и ${ displaystyle a}$, мы можем легко найти вход; ${ displaystyle a}$ дан и ${ displaystyle (a + b) -a = b}$) и функция сделана биективной.

Все логическая алгебраическая выражения могут быть закодированы как унитарные преобразования (квантовые логические вентили), например, с использованием комбинаций вентилей Паули-X, CNOT и Тоффоли. Эти ворота функционально полный в области логической логики.

Есть много унитарных преобразований, доступных в библиотеках Q #, QCL, Qiskit, и другие квантовое программирование языков. Это также появляется в литературе.^[22][23]

Например, ${ displaystyle inc (| x rangle) = | x + 1 { pmod {2 ^ {x_ {length}}}} rangle}$, куда ${ displaystyle x_ {длина}}$ - количество кубитов, составляющих ${ displaystyle x}$, реализована в QCL следующим образом^[24][25]:

Сгенерированная схема, когда ${ displaystyle x_ {length} = 4}$.
Символ ${ displaystyle oplus}$ обозначает xor и ${ displaystyle land}$ обозначает и, и происходит от логического представления управляемого Pauli-X в применении к состояниям, которые находятся в вычислительной основе.

cond qufunct inc(Qureg Икс) { // регистр увеличения  int я;  за я = #Икс-1 к 0 шаг -1 {    CNot(Икс[я], Икс[0::я]);     // применить контролируемое - не из  }                          // MSB в LSB}

В QCL декремент выполняется "отменой" приращения. Оператор отмены ! используется для запуска унитарный обратный функции. ! inc (х) инверсия inc (x) и вместо этого выполняет операцию ${ displaystyle inc ^ { dagger} | x rangle = inc ^ {- 1} (| x rangle) = | x-1 { pmod {2 ^ {x_ {length}}}} rangle}$.

Здесь классический компьютер генерирует композицию ворот для квантового компьютера. Квантовый компьютер действует как сопроцессор который получает инструкции от классического компьютера о том, какие примитивные вентили применить к каким кубитам. Измерение квантовых регистров приводит к двоичным значениям, которые классический компьютер может использовать в своих вычислениях. Квантовые алгоритмы часто содержат как классическую, так и квантовую часть. Неизмеренный Ввод / вывод (отправка кубитов на удаленные компьютеры без коллапса их квантовых состояний) может использоваться для создания сети квантовых компьютеров. Обмен запутывания затем можно использовать для реализации распределенные алгоритмы с квантовыми компьютерами, которые напрямую не связаны. Примеры распределенных алгоритмов, которые требуют использования всего лишь нескольких квантовых логических вентилей: сверхплотное кодирование, то Квантовое византийское соглашение и BB84 протокол обмена зашифрованными ключами.

История

Текущее обозначение квантовых вентилей было разработано Баренко и др.,^[26] опираясь на обозначения, введенные Фейнманом.^[27]

Смотрите также

• Адиабатические квантовые вычисления
• Клеточный автомат и Квантовый клеточный автомат
• Классические вычисления и Квантовые вычисления
• Облачные квантовые вычисления
• Теория вычислительной сложности и BQP
• Контрфактическая определенность и Контрфактический расчет
• Принцип Ландауэра и обратимое вычисление, декогеренция
• Магическая государственная дистилляция
• Теория информации, квантовая информация и Энтропия фон Неймана
• Эффект Паули и Синхронность
• Матрицы Паули
• Квантовые алгоритмы
• Квантовая схема
• Квантовая коррекция ошибок
• Квантовые конечные автоматы
• Квантовая память
• Квантовая сеть и Квантовый канал
• Квантовое состояние
• U (2^q) и SU (2^q) куда ${ displaystyle q}$ это количество кубитов, на которые действуют ворота
• Унитарные преобразования в квантовой механике
• Зенон эффект

Рекомендации

1. ^ Дибьенду Чаттерджи, Ариджит Рой. «Схема квантового полусумматора на основе трансмона». Успехи теоретической и экспериментальной физики: 7–8.
2. ^ Нильсен, Майкл А.; Чуанг, Исаак (2000). Квантовые вычисления и квантовая информация. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  0521632358. OCLC  43641333.
3. ^ Ааронов, Дорит (09.01.2003). «Простое доказательство того, что Тоффоли и Адамар квантово универсальны». arXiv:Quant-ph / 0301040.
4. ^ "Конференция Монро" (PDF). online.kitp.ucsb.edu.
5. ^ ^{а б} «Демонстрация небольшого программируемого квантового компьютера с атомными кубитами» (PDF). Получено 2019-02-10.
6. ^ Джонс, Джонатан А. (2003). «Прочные ворота Изинга для практических квантовых вычислений». Физический обзор A. 67. arXiv:Quant-ph / 0209049. Дои:10.1103 / PhysRevA.67.012317. S2CID  119421647.
7. ^ Дойч, Дэвид (8 сентября 1989 г.), «Квантовые вычислительные сети», Proc. R. Soc. Лондон. А, 425 (1989): 73–90, Bibcode:1989RSPSA.425 ... 73D, Дои:10.1098 / rspa.1989.0099, S2CID  123073680
8. ^ Бауш, Йоханнес; Пиддок, Стивен (2017), "Сложность трансляционно-инвариантных низкоразмерных спиновых решеток в 3D", Журнал математической физики, 58 (11): 111901, arXiv:1702.08830, Дои:10.1063/1.5011338, S2CID  8502985
9. ^ Яновский, Носон С.; Маннуччи, Мирко (2013). Квантовые вычисления для компьютерных ученых. Издательство Кембриджского университета. С. 147–169. ISBN  978-0-521-87996-5.
10. ^ Нильсен, Майкл А.; Чуанг, Исаак (2000). Квантовые вычисления и квантовая информация. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 62–63. ISBN  0521632358. OCLC  43641333.
11. ^ Яновский, Носон С.; Маннуччи, Мирко (2013). Квантовые вычисления для компьютерных ученых. Издательство Кембриджского университета. п. 148. ISBN  978-0-521-87996-5.
12. ^ Нильсен, Майкл А.; Чуанг, Исаак (2000). Квантовые вычисления и квантовая информация. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 71–75. ISBN  0521632358. OCLC  43641333.
13. ^ Раз, Ран (2002). «О сложности матричного произведения». Труды тридцать четвертого ежегодного симпозиума ACM по теории вычислений: 144. Дои:10.1145/509907.509932. ISBN  1581134959. S2CID  9582328.
14. ^ Определение присоединенных операторов в Microsof Q #
15. ^ Q # Онлайн-руководство: Измерение
16. ^ Хуан Инь, Юань Цао, Ю-Хуай Ли и др. «Спутниковое распределение запутанности на 1200 километров». Квантовая оптика.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
17. ^ Биллингс, Ли. "China Shatters" Жуткое действие на расстоянии "Рекорд, подготовка к квантовому Интернету". Scientific American.
18. ^ Попкин, Габриэль (15 июня 2017 г.). «Квантовый спутник Китая совершает« жуткое действие »на рекордном расстоянии». Наука - AAAS.
19. ^ Маттео, Оливия Ди. «Распараллеливание синтеза квантовых схем». Квантовая наука и технологии. 1.
20. ^ Ааронсон, Скотт (2002). «Квантовая нижняя граница для рекурсивной выборки Фурье». Квантовая информация и вычисления. 3 (2): 165–174. arXiv:Quant-ph / 0209060. Bibcode:2002квант.ч..9060A.
21. ^ Q # онлайн-руководство: Спряжение
22. ^ Ре, Асака; Кадзумицу, Сакаи; Рёко, Яхаги (2020). «Квантовая схема для быстрого преобразования Фурье». Квантовая обработка информации. 19 (277).
23. ^ Монтасер, Раша. «Новый дизайн обратимого полного сумматора / вычитателя с использованием R-ворот». Международный журнал теоретической физики. 58.
24. ^ Исходный код QCL 0.6.4, файл "lib / examples.qcl"
25. ^ Квантовое программирование в QCL (PDF)
26. ^ Phys. Ред. А 52 3457–3467 (1995), Дои:10.1103 / PhysRevA.52.3457; электронная печать arXiv:Quant-ph / 9503016
27. ^ Р. П. Фейнман, «Квантово-механические компьютеры», Новости оптики, Февраль 1985 г., 11, п. 11; перепечатано в Основы физики 16(6) 507–531.

Источники

• Нильсен, Майкл А.; Чуанг, Исаак (2000). Квантовые вычисления и квантовая информация. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  0521632358. OCLC  43641333.
• Яновский, Носон С.; Маннуччи, Мирко (2013). Квантовые вычисления для компьютерных ученых. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-87996-5.