Архитектура квантовых компьютеров — страница 4

  • Просмотров 5976
  • Скачиваний 316
  • Размер файла 98
    Кб

состояний, при этом |a|2 + |b|2 = 1. Помимо вероятностей P(0) = |a|2 и P(1) = |b|2, заполнения базисных состояний |0ñ и |1ñ, состояние кубита характеризуется когерентными или интерференционными слагаемыми в вероятности состояния |yñ, определяемых произведениями комплексных амплитуд ab* и a*b. Состояние квантового бита в отличие от классического может изменяться не только путем изменения вероятностей P(0) и P(1), но и более тонко путем

изменения амплитуд состояний a и b, что соответствует поворотам вектора состояния |yñ в так называемом гильбертовом двухмерном пространстве состояний. В этом и состоит принципиальное различие классического и квантового бита. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных

положения электрона в полупроводнике, различающихся поляризацией фотона или фазой сверхпроводника. Квантовая система может быть макроскопической (сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, бозе-газ), отдельной атомной частицей или колебательной модой: Простейшим случаем двухуровневой квантовой системы является спин ядра атома или электрона I = ½ в постоянном внешнем поле B0: два уровня энергии и состояния соответствуют

проекциям спина на направление B0 (рис. 1). Рис. 1. Состояния спина Iz = ±½ - и его уровни энергии E0,1 = ±miB0/2 во внешнем поле B0 представляют логические состояния кубита |0> и |1> Два оптических уровня энергии и состояния электрона в ионе также могут быть выбраны в качестве двух состояний кубита (рис. 2). Рис. 2. Состояния иона Са+, соответствующие уровням энергии 2S1/2 (основной) и 2D5/2 (метастабильный) выбраны за логические |0> и |1>. Числа у

стрелок показывают длину волны лазера, вызывающего переход, и время жизни иона на соответствующем уровне 2.2 Единицы квантовой информации. Квантовый регистр. Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре). Рис. 3. Квантовый регистр - цепочка квантовых

битов. Одно- или двухкубитовые квантовые вентили (NOT 1/2, NOT, CNOT и др.) осуществляют логические операции над кубитами или парами кубитов. К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2L-1 и обозначать 0,1,2,3, ... 2L-1. Однако эти