كيوبت

الموسوعة الحرة
التعريف العام للكيوبت هو الحالة الكمومية لنظام كمومي ثنائي المستوى

في الحوسبة الكمومية ، يُعد الكيوبت ( يُلفظ / ˈkjuːbɪt / ) أو البت الكمومي وحدةً أساسيةً للمعلومات الكمومية ، وهو النسخة الكمومية للبت الثنائي التقليدي . يمكن تحقيق الكيوبت فيزيائيًا باستخدام نظام كمومي ثنائي الحالة (أو ثنائي المستوى) ، وهو أحد أبسط الأنظمة الكمومية التي تُظهر خصوصية ميكانيكا الكم. من الأمثلة على ذلك دوران الإلكترون، حيث يمكن اعتبار المستويين دورانًا لأعلى ودورانًا لأسفل؛ أو استقطاب فوتون واحد، حيث يمكن قياس حالتي الدوران (الاستقطاب الدائري الأيسر والاستقطاب الدائري الأيمن) أيضًا كاستقطاب خطي أفقي ورأسي. في النظام الكلاسيكي، يجب أن يكون البت في إحدى الحالتين. مع ذلك، تسمح ميكانيكا الكم للكيوبت بأن يكون في تراكب متماسك لحالات متعددة في آنٍ واحد، وهي خاصية أساسية لميكانيكا الكم والحوسبة الكمومية. يمكن تعميم الكيوبت على أنه ad=2 كيوبت أو كيوبت ثنائي .

أصل الكلمة

يُنسب ابتكار مصطلح الكيوبت إلى بنيامين شوماخر . [ 1 ] في قسم الشكر والتقدير في بحثه المنشور عام 1995، يذكر شوماخر أن مصطلح الكيوبت قد تم ابتكاره على سبيل المزاح خلال محادثة مع ويليام ووترز .

مقارنة بالبتات الكلاسيكية

يُستخدم الرقم الثنائي ، الذي يُمثله 0 أو 1، لتمثيل المعلومات في الحواسيب التقليدية. عند حساب متوسط ​​قيمتيه (0، 1)، يُمكن للرقم الثنائي أن يُمثل بتًا واحدًا من المعلومات ، حيث البت هو الوحدة الأساسية للمعلومات . مع ذلك، في هذه المقالة، يُستخدم مصطلح "بت" كمرادف للرقم الثنائي.

في تقنيات الحاسوب الكلاسيكية، يتم تنفيذ البت المعالج بواسطة أحد مستويين من جهد التيار المستمر المنخفض ، وأثناء التبديل من أحد هذين المستويين إلى الآخر، يجب اجتياز ما يسمى "المنطقة المحظورة" بين مستويين منطقيين بأسرع ما يمكن، حيث لا يمكن للجهد الكهربائي أن يغير السعة على الفور.

هناك نتيجتان محتملتان لقياس الكيوبت، الذي يُفترض عادةً أن له القيمتين "0" و"1"، مثل البت. مع ذلك، فبينما لا يمكن أن تكون حالة البت إلا ثنائية (إما 0 أو 1)، فإن الحالة العامة للكيوبت، وفقًا لميكانيكا الكم، يمكن أن تكون تراكبًا متماسكًا عشوائيًا لجميع الحالات القابلة للحساب في آنٍ واحد. [ 2 ] علاوة على ذلك، فبينما لا يؤثر قياس البت الكلاسيكي على حالته، فإن قياس الكيوبت يُدمر تماسكه ويُخلّ بشكل لا رجعة فيه بحالة التراكب. من الممكن ترميز بت واحد بالكامل في كيوبت واحد. مع ذلك، يمكن للكيوبت أن يحمل معلومات أكثر، على سبيل المثال، ما يصل إلى بتين باستخدام الترميز فائق الكثافة (انظر نظرية هوليفو ).

تكون البتة دائمًا في إحدى حالتيها، ولا يمكن لمجموعة من n بتات (مثل سجل معالج أو مصفوفة بتات) أن تحمل إلا حالة واحدة من بين 2 ^n حالة ممكنة في أي وقت. يمكن أن تكون الحالة الكمومية في حالة تراكب، مما يعني أن الكيوبت يمكن أن يكون له سعة احتمالية غير صفرية في كلتا حالتيه في آن واحد (ويُعبر عنه عادةً بـ "يمكن أن يكون في كلتا الحالتين في آن واحد"). يتطلب الكيوبت عددين مركبين لوصف سعتي احتماليته، ويمكن اعتبار هذين العددين المركبين معًا متجهًا مركبًا ثنائي الأبعاد ، يُسمى متجه الحالة الكمومية أو متجه حالة التراكب. وبصورة مكافئة، يمكن وصف القيمة المخزنة في الكيوبت كنقطة واحدة في فضاء إحداثيات مركب ثنائي الأبعاد .

علاوة على ذلك، يمكن تمثيل مجموعة من n بت بـ n رقمًا ثنائيًا، ببساطة عن طريق دمج تمثيلات كل بت، بينما تتطلب مجموعة من n كيوبت، والتي تُسمى أيضًا سجلًا ، 2 ^n عددًا مركبًا لوصف متجه حالة التراكب الخاص بها. [ 3 ] [ 4 ] : ​​7-17 [ 2 ] : 13-17

التوصيف القياسي

في ميكانيكا الكم، يمكن تمثيل الحالة الكمومية العامة للكيوبت بتراكب خطي لحالتيه الأساسيتين المتعامدتين (أو متجهي الأساس ). ويُشار إلى هذين المتجهين عادةً بالرمز .|0⟩=[10]{\displaystyle |0\rangle ={\bigl [}{\begin{smallmatrix}1\\0\end{smallmatrix}}{\bigr ]}}و|1⟩=[01]{\displaystyle |1\rangle ={\bigl [}{\begin{smallmatrix}0\\1\end{smallmatrix}}{\bigr ]}}تُكتب هذه المعادلات باستخدام تدوين ديراك التقليدي - أو ما يُعرف بـ "برا-كيت" -|0⟩{\displaystyle |0\rangle }و|1⟩{\displaystyle |1\rangle }يُنطقان "ket 0" و"ket 1" على التوالي. هاتان حالتا الأساس المتعامدتان،{|0⟩،|1⟩}{\displaystyle \{|0\rangle ,|1\rangle \}}ويُقال إن هذه العناصر، التي تُسمى مجتمعة بالأساس الحسابي، تمتد على فضاء المتجهات الخطية ثنائي الأبعاد (هيلبرت) للكيوبت. [ 5 ]

يمكن أيضًا دمج حالات أساس الكيوبت لتكوين حالات أساس الضرب. تُسمى مجموعة الكيوبتات مجتمعةً سجلًا كميًا . على سبيل المثال، يمكن تمثيل كيوبتين في فضاء متجهي خطي رباعي الأبعاد يمتد بواسطة حالات أساس الضرب التالية:

|٠٠⟩=[1000]{\displaystyle |00\rangle ={\biggl [}{\begin{smallmatrix}1\\0\\0\\0\end{smallmatrix}}{\biggr ]}}،|01⟩=[0100]{\displaystyle |01\rangle ={\biggl [}{\begin{smallmatrix}0\\1\\0\\0\end{smallmatrix}}{\biggr ]}}،|10⟩=[0010]{\displaystyle |10\rangle ={\biggl [}{\begin{smallmatrix}0\\0\\1\\0\end{smallmatrix}}{\biggr ]}}، و|11⟩=[0001]{\displaystyle |11\rangle ={\biggl [}{\begin{smallmatrix}0\\0\\0\\1\end{smallmatrix}}{\biggr ]}}.

بشكل عام، يتم تمثيل n كيوبت بواسطة متجه حالة تراكب في فضاء هيلبرت ذي البعد 2n . [ 5 ]

كيوبت

يوفر استقطاب الضوء طريقة مباشرة لعرض الحالات المتعامدة. مع رسم تخطيطي نموذجي|ح⟩=|0⟩{\displaystyle {|H\rangle }={|0\rangle }}و|V⟩=|1⟩{\displaystyle {|V\rangle }={|1\rangle }}، الحالات الكمومية(|0⟩±|1⟩)/2{\displaystyle ({|0\rangle }\pm {|1\rangle })/{\sqrt {2}}}لها تمثيل فيزيائي مباشر، ويمكن إثبات ذلك تجريبياً بسهولة في فئة ذات مستقطبات خطية ، وبالنسبة للواقعα{\displaystyle \alpha }وβ{\displaystyle \beta }، بما يتوافق مع تعريف التعامد في المرحلة الثانوية . [ 6 ]

حالة الكيوبت النقية هي تراكب متماسك لحالات الأساس. وهذا يعني أن كيوبتًا واحدًا (ψ{\displaystyle \psi }يمكن وصف ) بمزيج خطي من|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}و|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}:

|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩{\displaystyle {|\psi \rangle}=\alpha {|0\rangle }+\beta {|1\rangle }}

حيث α و β هما سعات الاحتمال ، وكلاهما عددان مركبان . عند قياس هذا الكيوبت في الأساس القياسي، وفقًا لقاعدة بورن ، فإن احتمال النتيجة|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}القيمة "0" هي|α|2{\displaystyle {|\alpha |}^{2}}واحتمالية النتيجة|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}القيمة "1" هي|β|2{\displaystyle {|\beta |}^{2}}بما أن القيم المطلقة لمربعات السعات تساوي الاحتمالات، فإنه يترتب على ذلك أنα{\displaystyle \alpha }وβ{\displaystyle \beta }يجب تقييدها وفقًا للبديهية الثانية لنظرية الاحتمالات بواسطة المعادلة [ 4 ]

|α|2+|β|2=1.{\displaystyle {|\alpha |}^{2}+{|\beta |}^{2}=1.}

سعات الاحتمال،α{\displaystyle \alpha }وβ{\displaystyle \beta }لا تقتصر وظيفة هذه الرموز على ترميز احتمالات نتائج القياس فحسب، بل تشمل أيضًا المرحلة النسبية بينα{\displaystyle \alpha }وβ{\displaystyle \beta }على سبيل المثال، فهو مسؤول عن التداخل الكمي ، كما هو موضح في تجربة الشق المزدوج .

تمثيل كرة بلوخ

تمثيل كرة بلوخ للكيوبت.

سعات الاحتمال لحالة التراكب،|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩،{\displaystyle {|\psi \rangle }=\alpha {|0\rangle }+\beta {|1\rangle },\,}يتم تقديمها بواسطةα=كوس⁡(θ2){\displaystyle \alpha =\cos \left({\frac {\theta }{2}}\right)}وβ=هـأناφالخطيئة⁡(θ2){\displaystyle \beta =e^{i\varphi }\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}

قد يبدو للوهلة الأولى أنه ينبغي أن يكون هناك أربع درجات من الحرية في|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩{\displaystyle {|\psi \rangle}=\alpha {|0\rangle }+\beta {|1\rangle }\,}، مثلα{\displaystyle \alpha }وβ{\displaystyle \beta }هي أعداد مركبة لكل منها درجتا حرية. مع ذلك، تُزال إحدى درجتي الحرية بواسطة قيد التوحيد | α | ² + | β | ² = 1. هذا يعني أنه بتغيير مناسب للإحداثيات، يمكن حذف إحدى درجتي الحرية. أحد الخيارات الممكنة هو استخدام إحداثيات هوبف .

α=هـأنادلتاكوس⁡θ2،β=هـأنا(دلتا+φ)الخطيئة⁡θ2.{\displaystyle {\begin{aligned}\alpha &=e^{i\delta }\cos {\frac {\theta }{2}},\\\beta &=e^{i(\delta +\varphi )}\sin {\frac {\theta }{2}}.\end{aligned}}}

بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لكيوبت واحد، فإن المرحلة العالمية للحالةهـأنادلتا{\displaystyle e^{i\delta }}ليس لها عواقب يمكن ملاحظتها فيزيائيًا، [ أ ] لذلك يمكننا اختيار α بشكل تعسفي لتكون حقيقية (أو β في حالة كون α صفرًا)، مما يترك درجتين فقط من الحرية:

α=كوس⁡θ2،β=هـأناφالخطيئة⁡θ2،{\displaystyle {\begin{aligned}\alpha &=\cos {\frac {\theta }{2}},\\\beta &=e^{i\varphi }\sin {\frac {\theta }{2}},\end{aligned}}}

أينهـأناφ{\displaystyle e^{i\varphi }}هي المرحلة النسبية ذات الأهمية الفيزيائية . [ 7 ] [ ب ]

يمكن تصور الحالات الكمومية الممكنة لكيوبت واحد باستخدام كرة بلوخ (انظر الصورة). عند تمثيلها على هذه الكرة ثنائية الأبعاد ، لا يمكن أن يكون البت الكلاسيكي إلا عند "القطب الشمالي" أو "القطب الجنوبي"، في المواقع التي|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}و|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}على التوالي. مع ذلك، فإن هذا الاختيار المحدد للمحور القطبي هو اختيار اعتباطي. بقية سطح كرة بلوخ غير قابلة للوصول إليها بواسطة بت كلاسيكي، ولكن يمكن تمثيل حالة الكيوبت النقية بأي نقطة على السطح. على سبيل المثال، حالة الكيوبت النقية(|0⟩+|1⟩)/2{\displaystyle ({|0\rangle}+{|1\rangle })/{\sqrt {2}}}يقع على خط استواء الكرة عند المحور السيني الموجب. في الحد الكلاسيكي ، يختزل الكيوبت، الذي يمكن أن يمتلك حالات كمومية في أي مكان على كرة بلوخ، إلى البت الكلاسيكي، الذي لا يمكن إيجاده إلا عند أحد القطبين.

سطح كرة بلوخ هو فضاء ثنائي الأبعاد ، يمثل فضاء الحالة القابل للملاحظة لحالات الكيوبت النقية. يحتوي فضاء الحالة هذا على درجتي حرية محليتين، يمكن تمثيلهما بالزاويتين.φ{\displaystyle \varphi }وθ{\displaystyle \theta }.

حالة مختلطة

يتم تحديد الحالة النقية بالكامل بواسطة حالة واحدة (ket).|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩،{\displaystyle {|\psi \rangle }=\alpha {|0\rangle }+\beta {|1\rangle },\,}التراكب المتماسك، المُمثَّل بنقطة على سطح كرة بلوخ كما وُصِف أعلاه. التماسك ضروري لكي يكون الكيوبت في حالة تراكب. مع التفاعلات والضوضاء الكمومية وفقدان التماسك ، يُمكن وضع الكيوبت في حالة مختلطة ، وهي عبارة عن توليفة إحصائية أو "مزيج غير متماسك" من حالات نقية مختلفة. يُمكن تمثيل الحالات المختلطة بنقاط داخل كرة بلوخ (أو في كرة بلوخ). تتمتع حالة الكيوبت المختلطة بثلاث درجات حرية: الزواياφ{\displaystyle \varphi }وθ{\displaystyle \theta }بالإضافة إلى الطولر{\displaystyle r}من المتجه الذي يمثل الحالة المختلطة.

يمكن استخدام تصحيح الأخطاء الكمومية للحفاظ على نقاء الكيوبتات.

العمليات على الكيوبتات

يمكن إجراء أنواع مختلفة من العمليات الفيزيائية على الكيوبتات.

  • تُعدّ البوابات المنطقية الكمومية ، وهي اللبنات الأساسية للدائرة الكمومية في الحاسوب الكمومي ، تعمل على مجموعة من الكيوبتات ( مسجل )؛ رياضياً، تخضع الكيوبتات لتحويل وحدوي ( عكسي ) يُوصف بضرب المصفوفة الوحدوية للبوابة الكمومية في متجه الحالة الكمومية . والنتيجة من هذا الضرب هي متجه حالة كمومية جديد.
  • القياس الكمومي عملية لا رجعة فيها، يتم فيها الحصول على معلومات حول حالة كيوبت واحد، مع فقدان التماسك . وتكون نتيجة قياس كيوبت واحد في الحالة|ψ⟩=α|0⟩+β|1⟩{\displaystyle {|\psi \rangle}=\alpha {|0\rangle }+\beta {|1\rangle }}سيكون إما|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}باحتمال|α|2{\displaystyle {|\alpha |}^{2}}أو|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}باحتمال|β|2{\displaystyle {|\beta |}^{2}}يؤدي قياس حالة الكيوبت إلى تغيير قيمتي α و β . على سبيل المثال، إذا كانت نتيجة القياس هي|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}يتم تغيير قيمة α إلى 0 وقيمة β إلى 1، بينما يتغير عامل الطورهـأناϕ{\displaystyle e^{i\phi }}لم يعد بالإمكان الوصول إليه تجريبياً. إذا أُجري قياس على كيوبت متشابك ، فقد يؤدي القياس إلى انهيار حالة الكيوبتات المتشابكة الأخرى.
  • التهيئة أو إعادة التهيئة إلى قيمة معروفة، غالبًا|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}تؤدي هذه العملية إلى انهيار الحالة الكمومية (تمامًا كما هو الحال مع القياس). التهيئة إلى|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}يمكن تنفيذ ذلك منطقيًا أو فعليًا: منطقيًا كقياس، يليه تطبيق بوابة باولي-إكس إذا كانت نتيجة القياس|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}فيزيائياً، على سبيل المثال، إذا كان كيوبت طور فائق التوصيل ، عن طريق خفض طاقة النظام الكمومي إلى حالته الأرضية .
  • إرسال الكيوبت عبر قناة كمومية إلى نظام أو جهاز بعيد ( عملية إدخال/إخراج )، ربما كجزء من شبكة كمومية .

التشابك الكمي

من أهم الفروقات بين الكيوبتات والبتات الكلاسيكية أن الكيوبتات المتعددة قادرة على إظهار التشابك الكمي ؛ فالكيوبت نفسه يُعدّ مثالاً على التشابك الكمي. في هذه الحالة، يُعتبر التشابك الكمي خاصية محلية أو غير محلية لكيوبتين أو أكثر، تسمح لمجموعة من الكيوبتات بإظهار ترابط أعلى مما هو ممكن في الأنظمة الكلاسيكية.

أبسط نظام لعرض التشابك الكمومي هو نظام مكون من كيوبتين. لنأخذ على سبيل المثال كيوبتين متشابكتين في|Φ+⟩{\displaystyle {|\Phi ^{+}\rangle }}بيل ستيت :

12(|٠٠⟩+|11⟩).{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}({|00\rangle }+{|11\rangle }).}

في هذه الحالة، التي تسمى التراكب المتساوي ، توجد احتمالات متساوية لقياس أي من حالتي الضرب.|٠٠⟩{\displaystyle {|00\rangle }}أو|11⟩{\displaystyle {|11\rangle }}، مثل|1/2|2=1/2{\displaystyle {|1/{\sqrt {2}}|}^{2}=1/2}بمعنى آخر، لا توجد طريقة لمعرفة ما إذا كانت قيمة الكيوبت الأول "0" أو "1" وكذلك بالنسبة للكيوبت الثاني.

تخيل أن هذين الكيوبتين المتشابكتين منفصلتان، حيث تُعطى واحدة لكل من أليس وبوب. تقوم أليس بقياس كيوبتها، فتحصل على احتمالات متساوية إما|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}أو|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}أي أنها تستطيع الآن تحديد ما إذا كانت قيمة الكيوبت الخاص بها "0" أو "1". وبسبب تشابك الكيوبتات، يجب على بوب الآن الحصول على نفس القياس الذي حصلت عليه أليس تمامًا. على سبيل المثال، إذا قامت بقياس|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}يجب أن يقيس بوب نفس الشيء، كما|٠٠⟩{\displaystyle {|00\rangle }}هي الحالة الوحيدة التي يكون فيها كيوبت أليس|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}باختصار، بالنسبة لهذين الكيوبتين المتشابكتين، أيًا كان ما تقيسه أليس، سيقيسه بوب أيضًا، مع وجود ارتباط مثالي، في أي أساس، مهما كانت المسافة بينهما وحتى لو لم يستطع أي منهما تحديد ما إذا كان الكيوبت الخاص به له قيمة "0" أو "1" - وهو ظرف مثير للدهشة لا يمكن تفسيره بواسطة الفيزياء الكلاسيكية.

بوابة تحكم لبناء ولاية بيل

تعمل البوابات المتحكم بها على كيوبتين أو أكثر، حيث يعمل كيوبت واحد أو أكثر كعنصر تحكم لعملية محددة. على وجه الخصوص، تعمل بوابة النفي المتحكم بها (CNOT أو CX) على كيوبتين، وتنفذ عملية النفي على الكيوبت الثاني فقط عندما يكون الكيوبت الأول|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}وإلا فإنه يتركه دون تغيير. فيما يتعلق بأساس المنتج غير المتشابك{|٠٠⟩{\displaystyle \{{|00\rangle }}،|01⟩{\displaystyle {|01\rangle }}،|10⟩{\displaystyle {|10\rangle }}،|11⟩}{\displaystyle {|11\rangle }\}}، وهو يرسم حالات الأساس على النحو التالي:

|٠٠⟩↦|٠٠⟩{\displaystyle {|00\rangle }\mapsto {|00\rangle }}
|01⟩↦|01⟩{\displaystyle {|01\rangle }\mapsto {|01\rangle }}
|10⟩↦|11⟩{\displaystyle {|10\rangle }\mapsto {|11\rangle }}
|11⟩↦|10⟩{\displaystyle {|11\rangle }\mapsto {|10\rangle }}.

يتمثل أحد التطبيقات الشائعة لبوابة CNOT في تحقيق أقصى قدر من التشابك بين كيوبتين|Φ+⟩{\displaystyle {|\Phi ^{+}\rangle }}ولاية بيل . لبناء|Φ+⟩{\displaystyle {|\Phi ^{+}\rangle }}المدخلات A (التحكم) و B (الهدف) لبوابة CNOT هي:

12(|0⟩+|1⟩)أ{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}({|0\rangle }+{|1\rangle })_{A}}⊗{\displaystyle \otimes }|0⟩ب{\displaystyle {|0\rangle }_{B}}=12{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}}(|٠٠⟩+|10⟩){\displaystyle ({|00\rangle }+{|10\rangle })}.

بعد تطبيق دالة CNOT، تكون النتيجة هي|Φ+⟩{\displaystyle {|\Phi ^{+}\rangle }}جامعة بيل ستيت:12(|٠٠⟩+|11⟩){\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}({|00\rangle }+{|11\rangle })}.

التطبيقات

ال|Φ+⟩{\displaystyle {|\Phi ^{+}\rangle }}تشكل حالة بيل جزءًا من إعداد خوارزميات التشفير فائق الكثافة ، والنقل الكمي ، والتشفير الكمي المتشابك .

يُتيح التشابك الكمومي أيضًا إمكانية التأثير على حالات متعددة (مثل حالة بيل المذكورة أعلاه) في آنٍ واحد، على عكس البتات الكلاسيكية التي لا يمكنها أن تحمل سوى قيمة واحدة في كل مرة. يُعدّ التشابك عنصرًا أساسيًا في أي عملية حسابية كمومية لا يُمكن إجراؤها بكفاءة على الحاسوب الكلاسيكي. وتعتمد العديد من نجاحات الحوسبة والاتصالات الكمومية، مثل النقل الكمومي والترميز فائق الكثافة، على التشابك، مما يُشير إلى أن التشابك موردٌ فريدٌ للحوسبة الكمومية. [ 8 ] ومن أبرز العقبات التي تواجه الحوسبة الكمومية، اعتبارًا من عام 2018، في سعيها لتجاوز الحوسبة الرقمية الكلاسيكية، التشويش في البوابات الكمومية الذي يُحدّ من حجم الدوائر الكمومية التي يُمكن تنفيذها بثبات. [ 9 ]

مسجل الكم

يُطلق على مجموعة من الكيوبتات مجتمعة اسم سجل الكيوبتات . وتُجري الحواسيب الكمومية العمليات الحسابية من خلال معالجة الكيوبتات داخل هذا السجل.

الكُودِيتات والكوتريتات

يشير مصطلح qudit إلى وحدة المعلومات الكمومية التي يمكن تحقيقها في أنظمة كمومية مناسبة ذات مستويات d . [ 10 ]

تُشبه الكيوبتات أنواع الأعداد الصحيحة في الحوسبة التقليدية، ويمكن تمثيلها (أو تنفيذها) بمصفوفات من الكيوبتات. لا يمكن تمثيل الكيوبتات التي لا يكون نظامها ذو المستويات d أسًا للعدد 2 بمصفوفات من الكيوبتات. على سبيل المثال، من الممكن وجود كيوبتات ذات 5 مستويات.

في عام 2017، قام علماء في المعهد الوطني للبحوث العلمية ببناء زوج من الكيوبتات مع 10 حالات مختلفة لكل منهما، مما أعطى قوة حسابية أكبر من 6 كيوبتات. [ 11 ]

في عام 2022، نجح باحثون في جامعة إنسبروك في تطوير معالج كمومي عالمي من نوع كيوبت باستخدام أيونات محصورة. [ 12 ] وفي العام نفسه، طبّق باحثون في مركز المعلومات الكمومية بجامعة تسينغهوا مخطط الكيوبت ثنائي النوع في حواسيب كمومية أيونية محصورة باستخدام النوع نفسه من الأيونات. [ 13 ] وفي عام 2025، تمكّن فريق إنسبروك من محاكاة نظريات قياس الشبكة ثنائية الأبعاد على حاسوبهم الكمومي من نوع كيوبت. [ 14 ]

وفي عام 2022 أيضاً، طوّر باحثون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، تقنيةً للتحكم الديناميكي في تفاعلات كير المتقاطعة بين الكيوبتات ثلاثية الفوتونات ذات التردد الثابت، محققين دقةً عاليةً لبوابات الكيوبتات الثنائية. [ 15 ] تبع ذلك عرضٌ توضيحيٌّ للتحكم القابل للتوسيع في الكيوبتات فائقة التوصيل حتىد=4{\displaystyle d=4}في عام 2024 بناءً على تفاعلات الفوتونين القابلة للبرمجة. [ 16 ]

على غرار الكيوبت، يُعد الكيوتريت وحدة المعلومات الكمومية التي يمكن تحقيقها في أنظمة كمومية مناسبة ثلاثية المستويات. وهذا يُشابه وحدة المعلومات الكلاسيكية تريت في الحواسيب الثلاثية . [ 17 ] بالإضافة إلى الميزة المرتبطة بتوسيع نطاق الحساب، يُمكن استغلال مستوى الكيوتريت الثالث لتنفيذ تجميع فعال لبوابات متعددة الكيوبتات. [ 16 ] [ 18 ] [ 19 ]

التنفيذ المادي

يمكن استخدام أي نظام ميكانيكي كمومي ثنائي المستوى ككيوبت. كما يمكن استخدام الأنظمة متعددة المستويات، إذا كانت تمتلك حالتين يمكن فصلهما بفعالية عن باقي الحالات (مثل الحالة الأرضية والحالة المثارة الأولى لمذبذب غير خطي). توجد مقترحات عديدة في هذا الشأن، وقد تم بنجاح تحقيق العديد من التطبيقات الفيزيائية التي تقارب الأنظمة ثنائية المستوى بدرجات متفاوتة. على غرار البت الكلاسيكي، حيث يمكن استخدام حالة الترانزستور في المعالج، ومغنطة سطح القرص الصلب ، ووجود التيار في الكابل لتمثيل البتات في نفس الحاسوب، فمن المرجح أن يستخدم الحاسوب الكمومي في المستقبل تركيبات متنوعة من الكيوبتات في تصميمه.

تتأثر جميع التطبيقات الفيزيائية بالتشويش. يُعدّ كلٌّ من عمر T1 وزمن تلاشي T2 مؤشرين زمنيين لتوصيف التطبيق الفيزيائي وبيان مدى حساسيته للتشويش. ولا يعني ارتفاع هذا الزمن بالضرورة أن أحد الكيوبتات أنسب للحوسبة الكمومية ، إذ يجب أيضًا مراعاة أزمنة البوابات ودقتها.

تستخدم تطبيقات مختلفة مثل الاستشعار الكمي والحوسبة الكمية والاتصالات الكمية تطبيقات مختلفة من الكيوبتات لتناسب تطبيقاتها.

فيما يلي قائمة غير مكتملة بالتطبيقات الفيزيائية للكيوبتات، واختيارات الأساس هي اصطلاحية فقط.

الدعم المادياسمالدعم المعلوماتي|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}
فوتونترميز الاستقطاباستقطاب الضوءأفقيرَأسِيّ
عدد الفوتوناتولاية فوكمكنسةحالة الفوتون الواحد
ترميز الفترات الزمنيةوقت الوصولمبكرمتأخر
حالة متماسكة من الضوءضوء مضغوطالتربيعالسعة - حالة مضغوطةحالة ضغط الطور
الإلكتروناتالدوران الإلكترونييلفأعلىتحت
عدد الإلكتروناتتكلفةلا إلكترونإلكترونين
نواةيتم تناول الدوران النووي من خلال الرنين المغناطيسي النووييلفأعلىتحت
ذرة متعادلةمستوى الطاقة الذريةيلفأعلىتحت
الأيون المحصورمستوى الطاقة الذريةيلفأعلىتحت
تقاطع جوزيفسونكيوبت الشحنة فائقة التوصيلتكلفةجزيرة فائقة التوصيل غير مشحونة ( Q = 0 )جزيرة فائقة التوصيل مشحونة ( Q = 2 e ، زوج كوبر إضافي واحد )
كيوبت التدفق فائق التوصيلحاضِرتيار باتجاه عقارب الساعةتيار عكس اتجاه عقارب الساعة
كيوبت طور فائق التوصيلطاقةالحالة الأرضيةالولاية الأولى المثيرة
زوج من النقاط الكمومية أحادية الشحنةتحديد موقع الإلكترونتكلفةالإلكترون على النقطة اليسرىالإلكترون على النقطة اليمنى
النقطة الكموميةدوران النقاطيلفتحتأعلى
نظام طوبولوجي ذو فجواتالأنيونات غير الأبيليةتضفير الإثاراتيعتمد على نظام طوبولوجي محدديعتمد على نظام طوبولوجي محدد
الكيوبت الاهتزازي [ 20 ]حالات الاهتزازفونون / فايبرون|01⟩{\displaystyle {|01\rangle }}تراكب|10⟩{\displaystyle {|10\rangle }}تراكب
البنية المتغايرة لفان دير فالس [ 21 ]تحديد موقع الإلكترونتكلفةالإلكترون على الورقة السفليةإلكترون على الطبقة العلوية

تخزين الكيوبت

في عام 2008، أعلن فريق من العلماء من المملكة المتحدة والولايات المتحدة عن أول عملية نقل متماسكة وطويلة نسبيًا (1.75 ثانية) لحالة تراكب في كيوبت "معالجة" دوران الإلكترون إلى كيوبت "ذاكرة" دوران النواة . [ 22 ] يُمكن اعتبار هذا الحدث أول تخزين بيانات كمومي متسق نسبيًا، وهي خطوة حاسمة نحو تطوير الحوسبة الكمومية . في عام 2013، أدى تعديل أنظمة مماثلة (باستخدام مانحات مشحونة بدلًا من المتعادلة) إلى تمديد هذه المدة بشكل كبير، لتصل إلى 3 ساعات في درجات حرارة منخفضة جدًا و39 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. [ 23 ] كما أثبت فريق من العلماء من سويسرا وأستراليا إمكانية تحضير كيوبت يعتمد على دوران الإلكترون بدلًا من دوران النواة في درجة حرارة الغرفة. [ 24 ] ويجري حاليًا استكشاف زيادة تماسك الكيوبتات من قبل باحثين يختبرون حدود بنية كيوبت دوران مدار ثقب الجرمانيوم . [ 25 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ هذا بسبب قاعدة بورن . احتمال ملاحظة نتيجة ما عند القياس هو مربع القيمة المطلقة لسعة الاحتمال لتلك النتيجة (أو الحالة الأساسية، الحالة الذاتية ).عامل الطور الكليهـأنادلتا{\displaystyle e^{i\delta }}لا يمكن قياسها، لأنها تنطبق على كلتا حالتي الأساس، وتقع على دائرة الوحدة المركبة .|هـأنادلتا|2=1.{\displaystyle {|e^{i\delta }|}^{2}=1.}لاحظ أنه بإزالةهـأنادلتا{\displaystyle e^{i\delta }}وهذا يعني أنه لا يمكن تمثيل الحالات الكمومية ذات الطور العالمي كنقاط على سطح كرة بلوخ.
  2. ↑ يُطلق على أساس باولي Z عادةً اسم الأساس الحسابي ، حيث لا يؤثر الطور النسبي على القياس. أما القياس في أساس باولي X أو Y فيعتمد على الطور النسبي. على سبيل المثال،(|0⟩+هـأناπ/2|1⟩)/2{\displaystyle ({|0\rangle }+e^{i\pi /2}{|1\rangle })/{\sqrt {2}}}سوف (لأن هذه الحالة تقع على القطب الموجب للمحور Y) في أساس Y تُقاس دائمًا بنفس القيمة، بينما في أساس Z ينتج عنها احتمال متساوٍ للقياس.|0⟩{\displaystyle {|0\rangle }}أو|1⟩{\displaystyle {|1\rangle }}. لأن القياس يؤدي إلى انهيار الحالة الكمومية، فإن قياس الحالة في أساس واحد يخفي بعض القيم التي كان من الممكن قياسها في الأساس الآخر؛ انظر مبدأ عدم اليقين .

مراجع

  1. ↑ شوماخر، ب. (1995). "الترميز الكمي". مجلة Physical Review A. 51 ( 4): 2738–2747 . Bibcode : 1995PhRvA..51.2738S . doi : 10.1103/PhysRevA.51.2738 . PMID 9911903 . 
  2. 1 2 نيلسن، مايكل أ.؛ تشوانغ، إسحاق ل. (2010). الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية . مطبعة جامعة كامبريدج . ص 13. ISBN  978-1-107-00217-3.
  3. ↑ شور، بيتر (1997). "خوارزميات زمنية متعددة الحدود لتحليل الأعداد الأولية واللوغاريتمات المنفصلة على حاسوب كمومي*". مجلة SIAM للحوسبة . 26 (5): 1484-1509 . arXiv : quant-ph/9508027 . Bibcode : 1995quant.ph..8027S . doi : 10.1137/S0097539795293172 . S2CID 2337707 . 
  4. 1 2 ويليامز، كولين ب. (2011). استكشافات في الحوسبة الكمومية . سبرينغر . ص 9-13 . ISBN  978-1-84628-887-6.
  5. 1 2 يانوفسكي، نوسون س.؛ مانوتشي، ميركو (2013). الحوسبة الكمومية لعلماء الحاسوب . مطبعة جامعة كامبريدج . ص 138-144 . ISBN  978-0-521-87996-5.
  6. ^ سيسكير، زكي سي. مجدال، بيوتر؛ ويدنر، كاري. أنوبام، أديتيا؛ كيس نيكي. ديفيس، نوح. ديكارولي، كيارا؛ إركان، إيلكه؛ فوتي، كاترينا؛ جورا، باويل؛ يانكيويتش، كليمنتينا؛ لا كور، بريان ر. مالو، خورخي ياجو؛ مانيسكالكو، سابرينا؛ نعيمي، آزاد؛ نيتا، لورينتيو؛ بارفين، نسيم؛ سكافيريموتو، فابيو؛ شيرسون، جاكوب ف. سورير، إليف؛ ووتون، جيمس. نعم ليا. زابيلو، أولغا؛ تشيوفالو، ماريلو (2022). “الألعاب الكمومية والأدوات التفاعلية للتواصل والتعليم في مجال تقنيات الكم”. الهندسة البصرية . 61 (8) 081809. arXiv : 2202.07756 . Bibcode : 2022OptEn..61h1809S . doi : 10.1117/1.OE.61.8.081809 . تتضمن هذه المقالة نصًا من هذا المصدر، وهو متاح بموجب ترخيص CC BY 4.0 .
  7. ↑ نيلسن، مايكل أ .؛ تشوانغ، إسحاق (2010). الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية . كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج . ص 13-16 . ISBN  978-1-10700-217-3. OCLC 43641333 . 
  8. ↑ هوروديكي، ريشارد؛ وآخرون (2009). "التشابك الكمي". مراجعات الفيزياء الحديثة . 81 (2): 865-942 . arXiv : quant-ph/0702225 . Bibcode : 2009RvMP...81..865H . doi : 10.1103/RevModPhys.81.865 . S2CID 59577352 .  
  9. ↑ بريسكيل، جون (2018). "الحوسبة الكمومية في عصر NISQ وما بعده". Quantum . 2 79. arXiv : 1801.00862 . Bibcode : 2018Quant...2...79P . doi : 10.22331/q-2018-08-06-79 . S2CID 44098998 . 
  10. ↑ نيسبيت-جونز، بيتر بي آر؛ ديلي، جيروم؛ هوليتشيك، آن ماري؛ بارتر، أوليفر؛ كون، أكسل (2013). "تحضير وتسليم الكيوبتات والكيوتريات والكيوكوادرات الضوئية بدقة عند الطلب" . مجلة الفيزياء الجديدة . 15 (5) 053007. arXiv : 1203.5614 . Bibcode : 2013NJPh...15e3007N . doi : 10.1088/1367-2630/15/5/053007 . ISSN 1367-2630 . S2CID 110606655 .  
  11. ↑ تشوي، تشارلز كيو. (28-06-2017). "الكوديتات: المستقبل الحقيقي للحوسبة الكمومية؟" . مجلة IEEE Spectrum . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-06-2017 .
  12. ↑ رينغباور، مارتن؛ ميث، مايكل؛ بوستلر، لوكاس؛ ستريكر، رومان؛ بلات، راينر؛ شيندلر، فيليب؛ مونز، توماس (21 يوليو 2022). "معالج كمومي عالمي للكيوديت مع أيونات محصورة" . مجلة نيتشر فيزيكس . 18 (9): 1053-1057 . arXiv : 2109.06903 . Bibcode : 2022NatPh..18.1053R . doi : 10.1038/s41567-022-01658-0 . ISSN 1745-2481 . S2CID 237513730. تاريخ الاسترجاع : 21 يوليو 2022 .  
  13. ↑ فارديلي، إنغريد (18 أغسطس 2022). "باحثون يحققون نوعين من الكيوبتات القابلة للتحويل بشكل متماسك باستخدام نوع واحد من الأيونات" . Phys.org .
  14. ^ ميث ، مايكل. تشانغ، جينجلي؛ هاس، جان ف. إدموندز، كلير؛ بوستلر، لوكاس؛ جينا، أندرو J.؛ شتاينر، اليكس. ديلانتونيو، لوكا؛ بلات، راينر. زولر، بيتر. مونز، توماس. شندلر، فيليب؛ موشيك, كريستين ; رينجباور ، مارتن (25/03/2025). "محاكاة نظريات قياس الشبكة ثنائية الأبعاد على حاسوب كمي qudit" . فيزياء الطبيعة . 21 (4): 570– 576. أرخايف : 2310.12110 . بيب كود : 2025NatPh..21..570M . دوى : 10.1038/s41567-025-02797-ث . ISSN 1745-2481 . PMC 11999872. PMID 40248572 .​   
  15. ↑ غوس، نوح؛ مورفان، أليكسيس؛ مارينيلي، برايان؛ ميتشل، برادلي ك.؛ نغوين، لونغ ب.؛ نايك، رافي ك.؛ تشين، لاري؛ يونغر، كريستيان؛ كريكيباوم، جون مارك؛ سانتياغو، ديفيد آي.؛ والمان، جويل ج.؛ صديقي، عرفان (2022-12-05). "بوابات تشابك الكيوبت عالية الدقة للدوائر فائقة التوصيل" . مجلة نيتشر كوميونيكيشنز . 13 (1). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​ذ.م.م: 7481. arXiv : 2206.07216 . Bibcode : 2022NatCo..13.7481G . doi : 10.1038/s41467-022-34851-z . ISSN 2041-1723 . PMC 9722686 . PMID 36470858 .   
  16. 1 2 نغوين، لونغ ب.؛ غوس، نوح؛ سيفا، كارتيك؛ كيم، يوسف؛ يونس، إد؛ تشينغ، بينغتشنغ؛ هاشم، عقل؛ سانتياغو، ديفيد آي.؛ صديقي، عرفان (19 أغسطس 2024). "تمكين الحوسبة الكمومية عالية الأبعاد من خلال اجتياز السلم البوزوني المزدوج" . مجلة نيتشر كوميونيكيشنز . 15 (1). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا ​​ذ.م.م: 7117. arXiv : 2312.17741 . Bibcode : 2024NatCo..15.7117N . doi : 10.1038/s41467-024-51434-2 . ISSN 2041-1723 . PMC 11333499. PMID 39160166 .   
  17. ↑ إيرفينغ، مايكل (14-10-2022). ""الفضاء الكمومي ذو 64 بُعدًا يُعزز الحوسبة الكمومية بشكلٍ كبير" . نيو أطلس . تاريخ الاطلاع: 14 أكتوبر 2022 .
  18. ↑ نغوين، إل بي؛ كيم، واي؛ هاشم، إيه؛ غوس، إن؛ مارينيلي، بي؛ بهانداري، بي؛ داس، دي؛ نايك، آر كي؛ كريكيباوم، جي إم؛ جوردان، إيه؛ سانتياغو، دي آي؛ صديقي، آي. (16 يناير 2024). "تفاعلات هايزنبرغ القابلة للبرمجة بين كيوبتات فلوكي" . مجلة نيتشر فيزيكس . 20 (1): 240-246 . arXiv : 2211.10383 . Bibcode : 2024NatPh..20..240N . doi : 10.1038/s41567-023-02326-7 .
  19. ^ تشو، جي؛ هو شياو يو. تشو، يوكسوان؛ يوان، جياهاو؛ تشانغ، ليبو؛ قوه، تشيهاو؛ هاي، يونغجو؛ هان، زيكون؛ هو، تشانغ كانغ؛ هوانغ، وينهوي؛ جيا، هاو؛ جياو، داوي؛ لي، ساي؛ ليو، يانغ؛ ني، تشونغتشو. ني، ليفو؛ بان، شيانتشوانغ؛ تشيو، جياوي؛ وي، ويوي؛ نوربولاتي، وويركايكسي؛ يانغ، زوشينغ؛ تشانغ، جياجيان. تشانغ، زيدا؛ زو، وانجينغ؛ تشن، يوانجين؛ دنغ، شياو وى. دينغ، شيوهاو؛ هو، لينغ؛ لي، جيان؛ ليو، سونغ؛ لو ياو. نيو، جينغجينغ؛ تان، ديان؛ شو، يوان؛ يان، تونغكسينغ؛ تشونغ، يوبينغ؛ يان، فاي؛ صن، شياو مينغ؛ يو، دابينغ (14 نوفمبر 2022). "تبسيط الخوارزميات القابلة للتطوير باستخدام منطق AND الكمومي". مجلة Nature Physics ، 19 (1). Springer Science and Business Media LLC: 126–131 . arXiv : 2112.14922 . doi : 10.1038/s41567-022-01813-7 . ISSN 1745-2473 . 
  20. ↑ بيرريوس، إدواردو؛ جرويبيل، مارتن؛ شيشلوف، دميترو؛ وانغ، لي؛ بابيكوف، ديمتري (2012). "بوابات كمومية عالية الدقة باستخدام كيوبتات اهتزازية". مجلة الفيزياء الكيميائية . 116 (46): 11347-11354 . Bibcode : 2012JPCA..11611347B . doi : 10.1021/jp3055729 . PMID 22803619 . 
  21. ↑ لوكاتو، ب.؛ وآخرون (2019). "كيوبت الشحنة في الهياكل غير المتجانسة من نوع فان دير فالس". مجلة Physical Review B. 100 ( 12) 121406. arXiv : 1904.10785 . Bibcode : 2019PhRvB.100l1406L . doi : 10.1103/PhysRevB.100.121406 . S2CID 129945636 .  
  22. ↑ مورتون، جيه جيه إل؛ وآخرون (2008). "ذاكرة كمومية صلبة باستخدام اللف المغزلي النووي للفوسفور -31 ". نيتشر . 455 (7216): 1085-1088 . arXiv : 0803.2021 . Bibcode : 2008Natur.455.1085M . doi : 10.1038/nature07295 . S2CID 4389416 .  
  23. ↑ كاميار سعيدي وآخرون (2013). "تخزين بتات كمومية في درجة حرارة الغرفة لأكثر من 39 دقيقة باستخدام مانحات متأينة في السيليكون-28". مجلة ساينس . 342 (6160): 830-833 . arXiv : 2303.17734 . Bibcode : 2013Sci...342..830S . doi : 10.1126/science.1239584 . PMID: 24233718. S2CID : 42906250 .   
  24. ↑ نافرادي، بالينت؛ شقير، محمد؛ دينس، كلاوس-بيت؛ فورو، لازلو (18 يوليو/تموز 2016). "التحكم في اللف المغزلي طويل العمر في كرات نانوية كربونية شبيهة بالمعادن عند درجة حرارة الغرفة" . نيتشر كوميونيكيشنز . 7 12232. arXiv : 1611.07690 . Bibcode : 2016NatCo...712232N . doi : 10.1038/ncomms12232 . PMC 4960311. PMID 27426851 .  
  25. ↑ وانغ، زانينغ؛ مارسيلينا، إليزابيث؛ هاميلتون، إيه آر؛ كولين، جيمس إتش؛ روج، سفين؛ سالفي، جو؛ كولسر، ديميتري (1 أبريل 2021). "قد تكون الكيوبتات المكونة من ثقوب هي الحل لبناء حواسيب كمومية أسرع وأكبر" . npj Quantum Information . 7 (1). arXiv : 1911.11143 . doi : 10.1038/s41534-021-00386-2 . S2CID 232486360 . 

للمزيد من القراءة