Porte e circuiti quantistici

Porte quantistiche sono le operazioni di base di un computer quantistico e un circuito quantistico è una sequenza di tali operazioni applicate a qubit. Svolgono lo stesso ruolo che le porte logiche (AND, OR, NOT) svolgono nei normali computer, ma obbediscono alle regole della meccanica quantistica, il che le rende fondamentalmente diverse dalle loro controparti classiche.

I cancelli sono rotazioni reversibili

Lo stato di un qubit può essere rappresentato come una freccia su una sfera (la sfera di Bloch). Un cancello quantistico fa ruotare quella freccia e ogni rotazione di questo tipo è descritta da un unitario matrice: una trasformazione che preserva la probabilità totale e può sempre essere annullata. Questa reversibilità è un requisito rigoroso: a differenza di una porta AND classica, che scarta le informazioni, una porta quantistica non cancella mai lo stato su cui agisce.

Le porte comuni a qubit singolo includono Porta X (un po' invertito, il quanto NON), il Porta Z (un'inversione di fase) e Porta Hadamard, che trasforma uno 0 o 1 definito in un uguale sovrapposizione di entrambi. La porta chiave a due qubit è NON-controllato (CNOT), che inverte un qubit target solo quando un qubit di controllo è 1. CNOT è ciò che crea intreccio tra qubit.

Universalità e circuiti

Proprio come una manciata di porte classiche può costruire qualsiasi funzione logica, un piccolo insieme di porte quantistiche è universale: combinazioni di rotazioni di singoli qubit insieme a CNOT possono approssimare qualsiasi operazione quantistica con precisione arbitraria. Un circuito quantistico viene letto da sinistra a destra, con linee orizzontali che rappresentano qubit e simboli che contrassegnano le porte applicate in sequenza. Il circuito termina con la misurazione, che riduce ciascun qubit a uno 0 o 1 definito e produce l'output classico del calcolo.

Un malinteso comune

Un circuito quantistico non prova semplicemente tutte le risposte contemporaneamente e restituisce quella giusta. La sovrapposizione consente al calcolo di esplorare molte possibilità in parallelo, ma la misurazione restituisce solo un singolo risultato. L'arte della progettazione di algoritmi quantistici consiste nel disporre le porte in modo che interferenza amplifica la probabilità di risposte utili e annulla il resto prima della misurazione.