Quantengatter und -schaltungen

Quantentore sind die Grundoperationen eines Quantencomputers und ein Quantenschaltung ist eine Folge dieser Operationen, die auf angewendet werden Qubits. Sie spielen die Rolle, die Logikgatter (UND, ODER, NICHT) in gewöhnlichen Computern spielen, gehorchen jedoch den Regeln der Quantenmechanik, was sie grundlegend von ihren klassischen Gegenstücken unterscheidet.

Tore sind reversible Drehungen

Der Zustand eines Qubits kann als Pfeil auf einer Kugel (der Bloch-Kugel) dargestellt werden. Ein Quantengatter dreht diesen Pfeil, und jede solche Drehung wird durch ein beschrieben einheitlich Matrix – eine Transformation, die die Gesamtwahrscheinlichkeit beibehält und jederzeit rückgängig gemacht werden kann. Diese Reversibilität ist eine strikte Anforderung: Im Gegensatz zu einem klassischen UND-Gatter, das Informationen verwirft, löscht ein Quantengatter niemals den Zustand, auf den es einwirkt.

Zu den gängigen Single-Qubit-Gattern gehört das X-Tor (ein Bit-Flip, das Quantum NICHT), das Z-Tor (ein Phasenwechsel) und Hadamard-Tor, was eine bestimmte 0 oder 1 in ein Gleiches umwandelt Überlagerung von beiden. Das wichtigste Zwei-Qubit-Gate ist das kontrolliert-NICHT (CNOT), wodurch ein Ziel-Qubit nur dann umgedreht wird, wenn ein Kontroll-Qubit 1 ist. CNOT ist das, was erstellt Verstrickung zwischen Qubits.

Universalität und Schaltkreise

So wie eine Handvoll klassischer Gatter jede logische Funktion bilden können, ist eine kleine Menge von Quantengattern universell: Kombinationen von Einzel-Qubit-Rotationen zusammen mit CNOT können jede Quantenoperation mit beliebiger Genauigkeit approximieren. Ein Quantenschaltkreis wird von links nach rechts gelesen, wobei horizontale Linien Qubits darstellen und Symbole die nacheinander angewendeten Gatter markieren. Die Schaltung endet mit der Messung, die jedes Qubit auf eine eindeutige 0 oder 1 reduziert und das klassische Ergebnis der Berechnung liefert.

Ein häufiges Missverständnis

Ein Quantenschaltkreis probiert nicht einfach alle Antworten auf einmal durch und gibt die richtige zurück. Durch die Superposition kann die Berechnung viele Möglichkeiten parallel untersuchen, die Messung liefert jedoch nur ein einziges Ergebnis. Die Kunst des Entwurfs von Quantenalgorithmen besteht darin, Gatter so anzuordnen, dass Einmischung erhöht die Wahrscheinlichkeit nützlicher Antworten und eliminiert den Rest vor der Messung.