Mogu li kvantna vrata imati više ulaza nego izlaza slično kao i klasična vrata?
U području kvantnog računanja, koncept kvantnih vrata igra temeljnu ulogu u manipulaciji kvantnim informacijama. Kvantna vrata su građevni blokovi kvantnih sklopova koji omogućuju obradu i transformaciju kvantnih stanja. Za razliku od klasičnih vrata, kvantna vrata ne mogu imati više ulaza nego izlaza, jer moraju predstavljati unitarne operacije, tj. biti reverzibilna.
U klasičnom računalstvu, vrata (kao što su na primjer I vrata i ILI vrata) obično imaju dva ulaza i jedan izlaz (ova vrata spadaju u kategoriju nepovratne Booleove algebre, međutim postoje i klasična vrata koja imaju isti broj ulaza i izlazi i stoga su reverzibilni). Međutim, u kvantnom računanju vrata moraju pokazivati svojstvo unitarnosti i stoga moraju imati isti broj ulaza i izlaza.
Jedna od bitnih karakteristika kvantnih vrata je njihova unitarnost, što znači da moraju očuvati normalizaciju kvantnih stanja i biti reverzibilni. Ovaj zahtjev osigurava da su kvantne operacije determinističke i da se mogu poništiti, što je važno za održavanje koherencije kvantnih informacija. Korištenjem unitarnih transformacija, kvantna vrata mogu implementirati širok niz operacija, uključujući kvantne Fourierove transformacije, kvantnu faznu procjenu i kvantnu teleportaciju.
Ilustrativan primjer kvantnih vrata (koja imaju isti broj ulaza i izlaza) su Kontrolirana-NE (CNOT) vrata. Vrata CNOT, koja su vrata od dva kubita, imaju dva ulazna kubita i dva izlazna kubita. Izvodi NOT operaciju na drugom qubitu (ciljni qubit) samo ako je prvi qubit (kontrolni qubit) u stanju |1⟩. Ova vrata predstavljaju primjer kako kvantna vrata mogu manipulirati s više kubita istovremeno, prikazujući paralelizam svojstven kvantnom računanju, ali i reverzibilnost.
Nadalje, univerzalna kvantna vrata, kao što su Hadamardova vrata, Paulijeva vrata i fazna vrata, zajedno s CNOT vratima tvore kompletan (univerzalni) skup koji se može koristiti za aproksimaciju bilo koje unitarne transformacije na kvantnom sustavu (drugim riječima implementirati bilo koju druga kvantna vrata ili skup vrata). Ova univerzalna vrata, u kombinaciji s odgovarajućim kvantnim algoritmima, omogućuju realizaciju kvantnih sklopova sposobnih za učinkovito rješavanje složenih računalnih problema, nadmašujući mogućnosti klasičnih računala u određenim domenama.
Kvantna vrata u kvantnom računanju ne mogu imati više ulaza nego izlaza, zbog svog svojstva unitarnosti (što znači reverzibilnost računanja, za razliku od Booleovih klasičnih vrata, kao što su na primjer NOR i NAND vrata, kao i standardna ILI i I vrata , ili XOR vrata koja odgovaraju klasičnim CNOT vratima, koja ne čuvaju kontrolni bit). Reverzibilna kvantna vrata omogućuju sofisticirane operacije na kubitima koji iskorištavaju načela kvantne mehanike. Svestranost i snaga kvantnih vrata proizlaze iz njihove jedinstvenosti i sposobnosti manipuliranja kvantnim stanjima na reverzibilan način, utirući put razvoju kvantnih algoritama s transformativnim računalnim sposobnostima.
Zapravo, razvoj kvantne informacije i teorije računanja iz perspektive zajednice računalnog inženjerstva započeo je s IBM-ovim istraživačkim suradnikom Charlesom Bennettom koji je razmatrao klasične reverzibilne računalne arhitekture, shvativši da su klasična Booleova logička vrata ireverzibilna i stoga gube informacije, rasipajući kodiranje informacija energije u terminima topline (koje je formalizirano Landauerovim načelom c da izračunavanje količine energije raspršene po brisanju jednog bita u svakoj operaciji Booleovih logičkih vrata bude jednako ln2, tj. prirodni logaritam od 2 pomnožen s Boltzmannovom konstantom i temperatura) i stoga uvesti neizbježno u takvim arhitekturama zagrijavanje računalnih procesora, što je bila prepreka u daljnjoj minijaturizaciji. Charles Bennett okrenuo se reverzibilnim klasičnim vratima, ali je dokazao da su pojedinačna univerzalna vrata koja su reverzibilna samo 3-bitna vrata (kao što su Fredkinova vrata ili Toffoli vrata, inače poznata kao CCNOT, ili kontrola-kontrola-ne vrata). Zbog činjenice da bi prelazak klasičnih računalnih arhitektura s Booleovih logičkih vrata (kao što je NAND, jedna univerzalna vrata) na 3-bitna vrata bio nerealan zbog dobro uspostavljenog tehničkog standarda Booleovih vrata implementiranih na jednostavnim tranzistorima u računalnim procesorima, Bennett je promijenio njegov fokus na model kvantnog računanja, budući da je morao biti reverzibilan zbog temeljnog svojstva evolucije vremena unitarnosti u kvantnoj fizici. To je uvelo novi, snažan razvojni poticaj razvoju kvantne informacije i teorije računanja te pratećim eksperimentalnim ostvarenjima.
Ostala nedavna pitanja i odgovori u vezi EITC/QI/QIF Osnove kvantne informacije:
- Jesu li amplitude kvantnih stanja uvijek stvarni brojevi?
- Kako rade kvantna vrata negacije (kvantna NOT ili Pauli-X vrata)?
- Zašto su Hadamardova vrata samoreverzibilna?
- Ako izmjerite 1. qubit Bellovog stanja u određenoj bazi, a zatim izmjerite 2. qubit u bazi rotiranoj za određeni kut theta, vjerojatnost da ćete dobiti projekciju na odgovarajući vektor jednaka je kvadratu sinusa theta?
- Koliko bita klasične informacije bi bilo potrebno da se opiše stanje proizvoljne superpozicije kubita?
- Koliko dimenzija ima prostor od 3 kubita?
- Hoće li mjerenje qubita uništiti njegovu kvantnu superpoziciju?
- Uključuje li univerzalna obitelj kvantnih vrata CNOT vrata i Hadamardova vrata?
- Što je eksperiment s dvostrukim prorezom?
- Je li rotiranje polarizacijskog filtra jednako promjeni osnove mjerenja polarizacije fotona?
Pogledajte više pitanja i odgovora u EITC/QI/QIF Osnovama kvantnih informacija