Portas e circuitos quânticos

Portões quânticos são as operações básicas de um computador quântico e um circuito quântico é uma sequência dessas operações aplicadas a qubits. Elas desempenham o papel que as portas lógicas (E, OU, NÃO) desempenham nos computadores comuns, mas obedecem às regras da mecânica quântica, o que as torna fundamentalmente diferentes de suas contrapartes clássicas.

Gates são rotações reversíveis

O estado de um qubit pode ser representado como uma seta em uma esfera (a esfera de Bloch). Uma porta quântica gira essa seta, e cada rotação é descrita por um unitário matriz — uma transformação que preserva a probabilidade total e sempre pode ser desfeita. Esta reversibilidade é um requisito estrito: ao contrário de uma porta AND clássica, que descarta informações, uma porta quântica nunca apaga o estado em que atua.

Portas comuns de qubit único incluem Portão X (um pouco diferente, o quântico NÃO), o Portão Z (uma mudança de fase) e o Portão Hadamard, que transforma um 0 ou 1 definido em um igual superposição de ambos. A principal porta de dois qubits é controlado-NOT (CNOT), que inverte um qubit alvo apenas quando um qubit de controle é 1. CNOT é o que cria emaranhado entre qubits.

Universalidade e circuitos

Assim como um punhado de portas clássicas pode construir qualquer função lógica, um pequeno conjunto de portas quânticas é universais: combinações de rotações de qubit único junto com CNOT podem aproximar qualquer operação quântica com precisão arbitrária. Um circuito quântico é lido da esquerda para a direita, com linhas horizontais representando qubits e símbolos marcando as portas aplicadas em sequência. O circuito termina com a medição, que reduz cada qubit a um 0 ou 1 definido e produz a saída clássica do cálculo.

Um equívoco comum

Um circuito quântico não tenta simplesmente todas as respostas de uma vez e devolve a correta. A superposição permite que o cálculo explore muitas possibilidades em paralelo, mas a medição retorna apenas um único resultado. A arte do design de algoritmos quânticos é organizar portas para que interferência amplifica a probabilidade de respostas úteis e cancela o resto antes da medição.