کیوبیت – به زبان ساده

بیت کوانتومی یا کیوبیت

$${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$$

$${\displaystyle |0\rangle ={\bigl [}{\begin{smallmatrix}1\\0\end{smallmatrix}}{\bigr ]}}$$    ,    $${\displaystyle |1\rangle ={\bigl [}{\begin{smallmatrix}0\\1\end{smallmatrix}}{\bigr ]}}$$

در رابطه فوق مربع قدرمطلق ضرایب (همان اعمال اندازه‌گیری)، احتمال یافتن کیوبیت در آن حالت را نتیجه می‌دهد. یعنی داریم:

• احتمال یافتن کیوبیت در حالت $$|0⟩$$ برابر است با: $$|α|^2$$
• احتمال یافتن کیوبیت در حالت $$|1⟩$$ برابر است با: $$|β|^2$$

$${\displaystyle |\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1}$$

مثالی از برهمنهی

برای اینکه درک ساده‌تری از مفهوم کیوبیت داشته باشید، مثال زیر را در نظر بگیرید. فرض کنید که یک سکه را درون جعبه‌ای انداخته و تکان می‌دهیم. به نظر شما وضعیت سکه به چه صورت است؟ احتمالاً پاسخ می‌دهید که حالت سکه یا شیر و یا خط است. اما از نقطه نظر مکانیک کوانتومی وضعیت سکه نه شیر است و نه خط، بلکه وضعیت آن به صورت برهمنهی از حالت شیر و خط است. در واقع تا قبل از باز کردن در جعبه نمی‌توانیم وضعیت سکه را با یک بیت کلاسیکی معادل سازی کنیم، بلکه وضعیت سکه در این حالت یک کیوبیت به فرم زیر است:

$${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha|heads\rangle +\beta|tails\rangle }$$

وضعیت گربه داخل جعبه شرودینگر (زنده یا مرده!) هم ‌می تواند مثالی از یک کیوبیت باشد. در اینجا نیز قبل از اندازه‌گیری نمی‌توانیم به طور ۱۰۰٪ در مورد وضعیت گربه که آن را با یک کیوبیت معادل‌سازی کردیم، اظهار نظر کنیم.

کره بلوخ (Bloch Sphere)

برای درک شهودی از وضعیت یک کیوبیت، نمایش آن روی کره‌‌ بلوخ‌ می‌تواند مناسب باشد. در‌ واقع یک کیوبیت هر مکانی را روی سطح کره بلوخ می‌تواند به طور هم‌زمان اختیار کند. این در حالی است که یک بیت کلاسیکی تنها دو مقدار ۰ و ۱ را بر روی قطب‌های کره بلوخ دارد.

فیلم آموزش محاسبات کوانتومی در فرادرس

کلیک کنید

با تعریف ضرایب α و β به فرم زیر می‌توان حالت یک کیوبیت را روی کره بلوخ نمایش داد. یادآور می‌شویم که قبل از اندازه‌گیری سیستم، مکان کیوبیت در هر نقطه‌ای روی سطح کره بلوخ می‌تواند باشد، در‌ واقع با اندازه‌گیری یعنی تعیین ضرایب می‌توان مکان و وضعیت دقیق کیوبیت را مشخص کرد.

$$α=cos (\frac{θ}{2})$$

$$\beta=e^{i\phi}sin (\frac{θ}{2})$$

تحقق فیزیکی

$${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha|H\rangle +\beta|V\rangle }$$

تاکنون روش‌های متعددی برای پیاده‌سازی کیوبیت‌ها معرفی شده است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. اما شاید در دسترس‌ترین گزینه‌ پیش رویمان، استفاده از فوتون و سیستم‌های اپتیکی است. چرا که فوتون‌ها در حالت عادی با یکدیگر برهمکنشی نداشته و نویزپذیر از محیط اطراف خود (البته در شرایط معمولی) نیستند. همچنین نیازی به خلأ یا سرد کردن ندارند. از طرفی دسترسی و کار با ادوات اپتیکی و لیزرها به عنوان منبعی برای تولید فوتون‌ها امری ساده‌تر نسبت به دیگر روش‌ها است. البته از مشکلات سیستم‌های اپتیکی می‌توان به نبود منبع تک فوتون ایده‌آل و همچنین احتمالی بودن برهمکنش فوتون‌ها در صورت نیاز، با یکدیگر اشاره کرد.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک و کامپیوتر، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• مجموعه آموزش‌های دروس علوم و مهندسی کامپیوتر
• درهم تنیدگی کوانتومی -- به زبان ساده
• فوتون در فیزیک — به زبان ساده
• پلاریزاسیون — به زبان ساده
• سیستم‌های باینری به زبان ساده – بخش اول: اعداد باینری
• منطق دیجیتال — از صفر تا صد

^^