Kan kvanteporte have flere input end output på samme måde som klassiske porte?
Inden for kvanteberegninger spiller begrebet kvanteporte en grundlæggende rolle i manipulationen af kvanteinformation. Kvanteporte er byggestenene i kvantekredsløb, der muliggør behandling og transformation af kvantetilstande. I modsætning til klassiske porte kan kvanteporte ikke have flere input end output, da de skal repræsentere enhedsoperationer, dvs. være reversible.
I klassisk databehandling har porte (såsom for eksempel AND-porten og OR-porten) typisk to indgange og én udgang (disse porte falder ind under en kategori af den irreversible boolske algebra, men der er også klassiske porte, som har det samme antal indgange og udgange og er derfor reversible). I kvanteberegninger skal porte dog udvise en enhedsegenskab og skal derfor have det samme antal input og output.
Et af de væsentlige kendetegn ved kvanteporte er deres enhed, hvilket betyder, at de skal bevare normaliseringen af kvantetilstande og være reversible. Dette krav sikrer, at kvanteoperationer er deterministiske og kan fortrydes, hvilket er vigtigt for at opretholde sammenhængen af kvanteinformation. Ved at udnytte enhedstransformationer kan kvanteporte implementere en bred vifte af operationer, herunder kvante-Fourier-transformationer, kvantefaseestimering og kvanteteleportation.
Et illustrativt eksempel på en kvanteport (som har samme antal input og output) er Controlled-NOT (CNOT) porten. CNOT-porten, som er en to-qubit-gate, har to input-qubits og to output-qubits. Den udfører kun en NOT-operation på den anden qubit (mål-qubit), hvis den første qubit (kontrol-qubit) er i tilstanden |1⟩. Denne gate eksemplificerer, hvordan kvanteporte kan manipulere flere qubits samtidigt, hvilket viser den parallellitet, der er iboende i kvanteberegning, men også reversibilitet.
Desuden danner universelle kvanteporte, såsom Hadamard-porten, Pauli-porte og faseporte, sammen med CNOT-porten et komplet (universelt) sæt, der kan bruges til at tilnærme enhver enhedstransformation på et kvantesystem (med andre ord implementere evt. anden kvanteport eller et sæt porte). Disse universelle porte, i kombination med egnede kvantealgoritmer, muliggør realisering af kvantekredsløb, der er i stand til at løse komplekse beregningsproblemer effektivt, og overgår de klassiske computeres muligheder inden for visse domæner.
Kvanteporte i kvanteberegning kan ikke have flere input end output på grund af deres enhedsegenskab (hvilket oversættes til beregningsreversibilitet, i modsætning til boolske klassiske porte, såsom for eksempel NOR- og NAND-portene, såvel som standard OR- og AND-portene eller en XOR-gate, som svarer til en klassisk CNOT-gate, som ikke bevarer kontrolbitten). Reversible kvanteporte giver mulighed for sofistikerede operationer på qubits, der udnytter kvantemekanikkens principper. Kvanteportes alsidighed og kraft stammer fra deres enhed og evne til at manipulere kvantetilstande på en reversibel måde, hvilket baner vejen for udviklingen af kvantealgoritmer med transformative beregningsevner.
Faktisk startede udviklingen af kvanteinformation og beregningsteori fra computeringeniørsamfundets perspektiv med IBM-forsker Charles Bennett, som overvejede klassiske reversible beregningsarkitekturer, og indså, at klassiske boolske logiske porte er irreversible og dermed mister information, hvilket spreder informationskodning. energi i termer af varme (som blev formaliseret af Landauer-princippet c, at beregning af mængden af energi, der spredes pr. sletning af en enkelt bit i hver boolsk logisk gate-operation til at være lig med ln2, dvs. en naturlig logaritme på 2 ganget med Boltzmann-konstanten og temperaturen) og introducerer derfor uundgåelig i sådanne arkitekturer opvarmning af computerprocessorer, hvilket var en hindring for yderligere miniaturisering. Charless Bennett vendte sig til vendbare klassiske porte, men har bevist, at enkelte universelle porte, som er reversible, kun er 3-bit porte (såsom Fredkin-porten eller Toffoli-porten, ellers kendt som CCNOT, eller kontrol-kontrol-ikke-port). På grund af det faktum, at skift af klassiske computerarkitekturer fra boolske logiske porte (såsom NAND, en enkelt universel port) til 3-bit porte ville være urealistisk på grund af veletablerede tekniske standarder for boolske porte implementeret på simple transistorer i computerprocessorer, har Bennett skiftet hans fokus på kvanteberegningsmodel, da den skulle være reversibel på grund af en grundlæggende egenskab ved enhedstidsudvikling i kvantefysikken. Dette introducerede en ny, stærk udviklingsimpuls til udvikling af kvanteinformation og beregningsteori og følgende eksperimentelle erkendelser.
Andre seneste spørgsmål og svar vedr EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals:
- Hvad var dobbeltspalteeksperimentets historie, og hvordan hænger det sammen med bølgemekanik og kvantemekanikkens udvikling?
- Er amplituder af kvantetilstande altid reelle tal?
- Hvordan fungerer quantum negation gate (quantum NOT eller Pauli-X gate)?
- Hvorfor er Hadamard-porten selvvendbar?
- Hvis du måler den første qubit af Bell-tilstanden i en bestemt basis og derefter måler den anden qubit i en basis roteret med en bestemt vinkel theta, er sandsynligheden for, at du opnår projektion til den tilsvarende vektor, lig med kvadratet af sinus af theta?
- Hvor mange stykker af klassisk information ville være nødvendige for at beskrive tilstanden af en vilkårlig qubit-superposition?
- Hvor mange dimensioner har et rum på 3 qubits?
- Vil målingen af en qubit ødelægge dens kvantesuperposition?
- Inkluderer den universelle familie af kvanteporte CNOT-porten og Hadamard-porten?
- Hvad er et dobbeltspaltet eksperiment?
Se flere spørgsmål og svar i EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals