Puertas y circuitos cuánticos

Puertas cuánticas son las operaciones básicas de una computadora cuántica, y un circuito cuántico es una secuencia de aquellas operaciones aplicadas a cúbits. Desempeñan el papel que desempeñan las puertas lógicas (Y, O, NO) en las computadoras comunes, pero obedecen las reglas de la mecánica cuántica, lo que las hace fundamentalmente diferentes de sus contrapartes clásicas.

Las puertas son rotaciones reversibles

El estado de un qubit se puede representar como una flecha en una esfera (la esfera de Bloch). Una puerta cuántica hace girar esa flecha, y cada rotación de este tipo se describe mediante un unitario matriz: una transformación que preserva la probabilidad total y siempre se puede deshacer. Esta reversibilidad es un requisito estricto: a diferencia de una puerta AND clásica, que descarta información, una puerta cuántica nunca borra el estado sobre el que actúa.

Las puertas comunes de un solo qubit incluyen Puerta X (un poco volteado, el cuántico NO), el Puerta Z (un cambio de fase), y el Puerta Hadamard, que convierte un 0 o 1 definido en igual superposición de ambos. La puerta clave de dos qubits es la NO controlado (CNOT), que invierte un qubit objetivo solo cuando un qubit de control es 1. CNOT es lo que crea enredo entre qubits.

Universalidad y circuitos

Así como un puñado de puertas clásicas pueden construir cualquier función lógica, un pequeño conjunto de puertas cuánticas es universales: combinaciones de rotaciones de un solo qubit junto con CNOT pueden aproximar cualquier operación cuántica con precisión arbitraria. Un circuito cuántico se lee de izquierda a derecha, con líneas horizontales que representan qubits y símbolos que marcan las puertas aplicadas en secuencia. El circuito termina con una medición, que colapsa cada qubit a un 0 o 1 definido y produce el resultado clásico del cálculo.

Un error común

Un circuito cuántico no prueba simplemente todas las respuestas a la vez y devuelve la correcta. La superposición permite que el cálculo explore muchas posibilidades en paralelo, pero la medición arroja un solo resultado. El arte del diseño de algoritmos cuánticos consiste en disponer las puertas de modo que interferencia amplifica la probabilidad de respuestas útiles y cancela el resto antes de la medición.