Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit ) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений .

Состояние кубита

Как и бит , кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых ${\displaystyle |0\rangle }$ и ${\displaystyle |1\rangle }$ ( обозначения Дирака ), но при этом может находиться и в их суперпозиции . В общем случае его волновая функция имеет вид ${\displaystyle A|0\rangle +B|1\rangle }$ , где ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$ называются и являются комплексными числами , удовлетворяющими условию ${\displaystyle |A|^{2}+|B|^{2}=1}$ . Состояние кубита удобно представлять как стрелку на сфере Блоха .

При измерении состояния кубита можно получить лишь одно из его собственных состояний . Вероятности получить каждое из них равны соответственно ${\displaystyle |A|^{2}}$ и ${\displaystyle |B|^{2}}$ . Как правило , при измерении состояние кубита необратимо разрушается, чего не происходит при измерении классического бита.

Квантовая запутанность

Кубиты могут быть запутаны друг с другом. Квантовой запутанностью могут обладать два и более кубита, и она выражается в наличии особой корреляции между ними, которая невозможна в классических системах. Одним из наиболее простых примеров запутанности двух кубитов является состояние Белла ${\displaystyle |\Phi ^{+}\rangle }$ :

${\displaystyle {\frac {(|00\rangle +|11\rangle )}{\sqrt {2}}}}$

Запись ${\displaystyle |00\rangle }$ обозначает состояние, когда оба кубита находятся в состоянии ${\displaystyle |0\rangle }$ . Для состояния Белла характерно то, что при измерении первого кубита возможны два результата: 0 с вероятностью 1/2 и конечным состоянием ${\displaystyle |\varphi '\rangle =|00\rangle }$ , и 1 с вероятностью 1/2 и конечным состоянием ${\displaystyle |\varphi ''\rangle =|11\rangle }$ . Как следствие, измерение второго кубита всегда даёт тот же результат, что и измерение первого кубита, т. е. данные измерений оказываются коррелированными.

Количество информации

В то время как для полного описания системы из n классических битов достаточно n нулей и единиц, для описания системы из n кубитов необходимо (2 ⁿ - 1) комплексных чисел. Это связано с тем, что n-кубитную систему можно представить как вектор в 2 ⁿ -мерном гильбертовом пространстве . Отсюда следует, что система из кубитов может вместить в себя экспоненциально больше информации, чем система из битов.

Например, в один кубит можно записать до двух битов информации Шеннона , используя сверхплотное кодирование , а система из n кубитов может использоваться для кодирования 2 ⁿ чисел, что применяется, например, в квантовом машинном обучении .

Однако стоит учитывать, что экспоненциальное увеличение пространства состояний системы не обязательно приводит к экспоненциальному росту вычислительной мощности в связи со сложностью кодирования и считывания информации .

История

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

Вариации и обобщения

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

Примечания

Источники

Комментарии

Ссылки

• А. Китаев, А. Шень, М. Вялый . . — М.: МЦНМО , 1999. 192 с.

В другом языковом разделе есть более полная статья (исп.) . Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода