Элементная база квантовых компьютеров. Кубиты. Запутывание квантовых состояний. Квантовый параллелизм.

 

Наименьшим элементом хранения информации в квантовом компьютере является кубит. Кубит может принимать, в отличие от классического бита, не два, а бесконечное число состояний, поскольку он описывается нормированной на единицу линейной комбинацией двух базисных состояний |0> и |1> (аналоги состояний 0 и 1 классического бита), но при этом может находиться в их суперпозиции, т.е. в состоянии , где А и В – комплексные числа, удовлетворяющие условию , а значит, является более «информативным».

Физической реализацией кубита может служить любая двухуровневая система (спин, фотон, атом, молекула, ион), волновая функция которой определяет все его значения. Сообщение представляет собой последовательность N кубитов, т.е. отвечает волновой функции N переменных:

· Ионы или нейтральные атомы с двумя низколежащими колебательными или сверхтонкими уровнями, удерживаемыми в силовых ловушках, созданных в вакууме, с помощью электрических и магнитных полей, при лазерном охлаждении до микрокельвиновых температур.

· Сверхпроводниковые структуры с переходами.

· Отдельные электронные и ядерные спины в магнитном поле.

· Квантовые точки с двумя электронными орбиталями и спиновыми состояниями.

· Определенные состояния квантованного электромагнитного поля в электродинамических резонаторах и фотонных кристаллах.

 

Преимущество работы квантового компьютера над классическим основывается на наличии запутанных (сцепленных) состояний между кубитами. Запутанность выражается в том, что при всяком изменении состояния одного из кубитов остальные меняют своё состояние согласованно с ним. Причём это происходит не посредством обычных классических взаимодействий, ограниченных скоростью света, а посредством нелокальных квантовых корреляций, когда изменение сказывается в тот же самый момент времени, независимо от расстояния между сцепленными кубитами.

Совокупность сцепленных между собой кубитов может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр. Как и отдельный кубит, квантовый регистр гораздо информативнее, чем классический. Он может находиться не только во всех комбинациях составляющих его битов, но и реализовывать различные тонкие связи между ними. Наличие запутанных состояний между кубитами является основным фактором, отвечающим за квантовый параллелизм – этот эффект не имеет аналогов при работе классических компьютеров. Если в классическом компьютере вычисляется единственное выходное значение для одного входного, то в квантовом вычисляются выходные значения сразу для всех входных состояний. Таким образом, благодаря квантовому параллелизму, квантовый компьютер на каждом такте своей работы преобразует сразу все базовые состояния. В результате, квантовые вычисления являются параллельными. Это должно позволить получить значительное увеличение скорости и эффективности вычислений квантовых компьютеров по сравнению с классическими.