Квантовый вентиль (квантовый логический элемент ) — это базовый элемент квантового компьютера , преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определённому закону. Отличается от обычных логических вентилей тем, что работает с кубитами . Квантовые вентили в отличие от многих классических всегда являются обратимыми .

Так как кубит можно представить вектором в двумерном пространстве, то действие вентиля можно описать унитарной матрицей , на которую умножается соответствующий вектор состояния входного кубита. Однокубитные вентили описываются матрицами размера 2 × 2 , двухкубитные — 4 × 4 , а n -кубитные — 2 ⁿ × 2 ⁿ .

Примеры квантовых вентилей

Простейшие однокубитовые вентили:

• Тождественное преобразование:

${\displaystyle \sigma _{0}={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}}}$

• Отрицание (вентиль Паули X ):

${\displaystyle NOT=X=\sigma _{1}={\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix}}}$

• Вентиль Паули Y :

${\displaystyle Y=\sigma _{2}={\begin{bmatrix}0&-i\\i&0\end{bmatrix}}}$

• Фазовый сдвиг (вентиль Паули Z ):

${\displaystyle Z=\sigma _{3}={\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix}}}$

• Преобразование Адамара:

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

Также возможны вентили, имеющие два входа (и два выхода, так как количество входов и выходов у квантовых вентилей должно совпадать в силу требования унитарности):

• Контролируемое U ( C-U ). Суть контролируемого U заключается в том, что на первый вход подаётся управляющий кубит, а на второй — управляемый. Если управляющий кубит равен единице, над управляемым проводится операция U , а если нулю — тождественное преобразование (кубит подается на выход без изменений). Если матрица U имеет вид

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

тогда матрица преобразования C-U выглядит так:

${\displaystyle \operatorname {C} (U)={\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&x_{00}&x_{01}\\0&0&x_{10}&x_{11}\end{bmatrix}}}$

• Контролируемое отрицание ( C-NOT ). В этом случае ${\displaystyle U=\sigma _{1}}$ и матрица преобразования имеет вид:

${\displaystyle CNOT={\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&1\\0&0&1&0\end{bmatrix}}}$

• Контролируемое Z . В этом случае ${\displaystyle U=\sigma _{3}}$ и матрица преобразования имеет вид:

${\displaystyle CZ={\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&1&0\\0&0&0&-1\end{bmatrix}}}$

• Обмен:

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

Важными 3-х кубитными вентилями являются:

• вентиль Тоффоли (Toffoli, часто CCNOT) — является универсальным. Может быть реализован на C-NOT и однокубитных вентилях. Похож по алгоритму работы на CNOT, но обращает значение последнего бита только если два первых входа равны единице. В противном случае все входы подаются на выход неизменными.
• вентиль Фредкина ( англ. Fredkin gate , часто CSWAP) — также универсален. Если первый вход установлен, переставляет значения кубитов со входов 2 и 3. Иначе все три кубита остаются без изменений.

Универсальные квантовые вентили

Набор квантовых вентилей называют универсальным, если любое унитарное преобразование можно аппроксимировать с любой заданной точностью конечной последовательностью вентилей из этого набора. Иными словами, универсальные квантовые вентили являются генераторами группы унитарных матриц. Можно доказать, что набор, состоящий из вентиля C-NOT и всех однокубитных вентилей, является универсальным. Возможны и другие универсальные наборы.

Реализация

В 2022 г. сотрудниками НИТУ МИСиС и МФТИ был разработан сверхпроводниковый квантовый чип, позволяющий реализовать операцию CZ с точностью свыше 97%. Микросхема состоит из 5 зарядовых кубитов, из которых для реализации CZ использовалось лишь 4. Выполнение одной логической операции длится 0,025 мкс, что позволяет за время существования квантового состояния выполнить более 3200 операций .

Ссылки

• от 24 сентября 2015 на Wayback Machine из C.P. Williams, «Explorations in Quantum Computing», Texts in Computer Science // Springer-Verlag , 2011, ISBN 978-1-84628-887-6 , стр 51-122 (англ.)
• Yoshihisa Yamamoto, of , Lecture Notes // Stanford, Winter 2009 (англ.)
• Dieter Suter, Joachim Stolze, (слайды) из // Technischen Universität Dortmund 2009—2010 (англ.)
• Markus Schmassmann, от 4 января 2015 на Wayback Machine // QSIT-Course, ETH Zürich, 17. Oktober 2007 (англ.)

Примечания

Для улучшения этой статьи желательно : Проставить сноски , внести более точные указания на источники. После исправления проблемы исключите её из списка. Удалите шаблон, если устранены все недостатки.