Кубит

Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — квантовый разряд, или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере.

Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых | 0 ⟩ {displaystyle |0 angle } и | 1 ⟩ {displaystyle |1 angle } (обозначения Дирака), но при этом может находиться и в их суперпозиции, то есть в состоянии A | 0 ⟩ + B | 1 ⟩ {displaystyle A|0 angle +B|1 angle } , где A {displaystyle A} и B {displaystyle B} — комплексные числа, удовлетворяющие условию | A | 2 + | B | 2 = 1 {displaystyle |A|^{2}+|B|^{2}=1} .

При любом измерении состояния кубита он случайно переходит в одно из своих собственных состояний. Вероятности перехода в эти состояния равны соответственно | A | 2 {displaystyle |A|^{2}} и | B | 2 {displaystyle |B|^{2}} , то есть косвенно, по наблюдениям за множеством кубитов, мы всё-таки можем судить об исходном состоянии.

Кубиты могут быть запутаны друг с другом, то есть на них может быть наложена ненаблюдаемая связь, выражающаяся в том, что при всяком изменении над одним из нескольких кубитов остальные меняются согласованно с ним. Иными словами, совокупность запутанных между собой кубитов может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр. Как и отдельный кубит, квантовый регистр гораздо сложнее классического регистра битов. Он может не только находиться во всевозможных комбинациях составляющих его битов, но и реализовывать тонкие зависимости между ними.

Несмотря на то, что мы сами не можем непосредственно наблюдать состояние кубитов и квантовых регистров во всей полноте, между собой они могут обмениваться своим состоянием и могут его преобразовывать. Тогда есть возможность создать компьютер, способный к параллельным вычислениям на уровне своего физического устройства, и проблемой остаётся лишь прочитать конечный результат вычислений.

История

Слово «qubit» ввёл в употребление Бен Шумахер из Кеньон-колледжа (США) в 1995 г., а А. К. Звездин в своей статье предположил вариант перевода «q-бит». Иногда также можно встретить название «квантбит».

Пример

Отвлечённо бит — это всё, что может быть только в двух состояниях, например: вкл или выкл, 1 или 0, белое или чёрное, да или нет, и так далее. По определению бит может принимать строго два значения и никаких значений между. Самое простое физическое воплощение бита — это выключатель света в комнате. Он может быть только в одном из двух состояний: включён или выключен, и заставить обычный переключатель "застрять" в положении между этими состояниями очень трудно. Так же следует заметить, что простое наблюдение за состоянием выключателя света в комнате не может перевести его из одного состояния в другое, более того, перевод переключателя из состояния "вкл" в "выкл" требует заметных усилий со стороны человека.

Отвлечённо кубит — это любая вещь, которая может занимать любое состояние между двумя «пограничными» состояниями. Например, если бит может быть только чёрным или только белым, то кубит может стать серым цветом любой насыщенности между этими двумя тонами. Если бит может быть только 0 или 1, то кубит может принимать любое значение между 0 и 1.

В этом плане кубит больше похож на ручку громкости на радиоприёмнике. Приёмник из выключенного состояния (положение ручки на 0) включается поворотом ручки громкости. При дальнейшем повороте громкость будет нарастать, пока она не будет выкручена до предела (положение 1). Ручка громкости может принять любое положение между 0 (выкл) и 1 (макс. громкости).

Кубит похож на ручку, но всё же не является ей. Чтобы данную ручку можно было считать настоящим кубитом, от неё бы потребовалось ещё несколько странных с точки зрения человека свойств. Одно из таких свойств — коллапс волновой функции. В текущем примере выполнение такого свойства выглядело бы так: в каком бы сейчас положении между 0 и 1 ни находилась бы данная ручка, при взгляде на неё (что равносильно измерению её положения) она должна «прыгнуть» в одно из крайних положений: либо 0 (выключено), либо 1 (макс. громкости), другими словами, положение ручки должно быть настолько неустойчивым, что совершенно любое взаимодействие с ней переводило бы её в одно из двух крайних положений.

Вариации и обобщения

Обобщением понятия кубит является кунит (Q-энк, куэнк; qudit), способный хранить в одном разряде более двух значений (например, кутрит англ. qutrit — 3, куквадрит — 4, …, куэнк — n).