Was ist ein Qubit?

Was ist ein "Qubit"? Google sagt mir, dass es ein anderer Begriff für ein "Quantenbit" ist. Was ist physikalisch ein "Quantenbit" ? Wie ist es "Quanten"? Welchem ​​Zweck dient es beim Quantencomputing?

Hinweis: Ich würde eine Erklärung vorziehen, die für Laien leicht verständlich ist. Begriffe, die für das Quantencomputing spezifisch sind, sollten vorzugsweise in relativ einfachen Begriffen erklärt werden.

Dies ist eine gute Frage, die meiner Ansicht nach das Herzstück eines Qubits bildet. Wie der Kommentar von @Blue ist es nicht so, dass es sich um eine gleichwertige Überlagerung handeln kann, da dies mit einer klassischen Wahrscheinlichkeitsverteilung identisch ist. Es kann negative Vorzeichen haben.

Nehmen Sie dieses Beispiel. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Bit im Zustand und stellen es als Vektor Anschließend wenden Sie eine Münzwurfoperation an, die durch eine stochastische Matrix Damit wird eine klassische Mischung . Wenn Sie dies zweimal anwenden, handelt es sich immer noch um eine klassische Mischung .[ 1 0 ] [ 0,5 0,5 0,5 0,5 ] [ 0,5 0,5 ] [ 0,5 0,5$0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 & 0.5 \\0.5 & 0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$

Gehen wir nun zum Quantenfall und beginnen mit einem Qubit im Zustand, der wiederum durch . In der Quante werden Operationen durch eine einheitliche Matrix dargestellt, die die Eigenschaft . Die einfachste Einheit zur Darstellung der Aktion eines Quantenmünzwurfs ist die Hadamard-Matrix Wenn die erste Spalte so definiert ist, dass sie nach einer Operation den Status , muss die zweite Spalte sein wobei ,[ 1 0 ] U † U = I [ $0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$U^\dagger U = I$| +⟩=[$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & \sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} & -\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$[$|+\rangle =\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & a \\\sqrt{0.5} & b \end{bmatrix}$$|a|^2 = 1/2$$|b|^2 = 1/2$ und . Eine Lösung hierfür ist und .$ab^* = -1/2$$a =\sqrt(0.5)$$b=-a$

Jetzt machen wir das gleiche Experiment. Einmaliges Anwenden gibt und wenn wir (in der Standardbasis) messen würden, würden wir die halbe Zeit 0 und die andere 1 erhalten (Rückruf in Quantengeborene Regel ist und warum brauchen wir alle Quadratwurzeln). So ist es wie oben und hat ein zufälliges Ergebnis.$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$$P(i) = |\langle i|\psi\rangle|^2$

Lass es uns zweimal anwenden. Jetzt würden wir . Das negative Vorzeichen hebt die Wahrscheinlichkeit auf, das Ergebnis 1 zu beobachten, und ein Physiker spricht von Interferenz. Es sind diese negativen Zahlen, die wir in Quantenzuständen erhalten, die nicht durch die Wahrscheinlichkeitstheorie erklärt werden können, in der die Vektoren positiv und real bleiben müssen.$\begin{bmatrix} 0.5+0.5 \\0.5-0.5\end{bmatrix}$

Wenn Sie dies auf n Qubits erweitern, erhalten Sie eine Theorie mit einem Exponential, das wir nicht effizient simulieren können.

Dies ist nicht nur meine Ansicht. Ich habe es in den Vorträgen von Scott Aaronson gesehen und ich denke, es ist am besten zu sagen, dass Quanten wie "Wahrscheinlichkeitstheorie mit Minuszeichen" sind (dies ist ein Zitat von Scott).

Ich füge die Folien bei, die ich gerne zur Erklärung von Quanten gebe (wenn es nicht Standard ist, Folien in einer Antwort zu haben, schreibe ich gerne die Mathematik auf, um die Konzepte zu vermitteln).

Ich werde das wahrscheinlich noch erweitern (!) Und Bilder und Links hinzufügen, wenn ich Zeit habe, aber hier ist meine erste Aufnahme davon.

Meist mathematikfreie Erklärung

Eine besondere Münze

Beginnen wir mit dem Gedanken an normale Gebisse. Stellen Sie sich vor, dieses normale Stück ist eine Münze, die wir als Kopf oder Zahl betrachten können. Wir nennen Köpfe gleich "1" und Schwänze "0". Stellen Sie sich vor, wir werfen diese Münze nicht einfach um, sondern drehen sie - 45 über der Horizontalen, 50 über der Horizontalen, 10 unter der Horizontalen, was auch immer - das sind alles Zustände. Dies eröffnet eine riesige neue Möglichkeit von Zuständen - ich könnte die gesamten Werke von Shakespeare auf diese eine Art in diese eine Münze kodieren.${}^\circ$$^\circ$$^\circ$

Aber was ist der Haken? Es gibt kein kostenloses Mittagessen, wie man so schön sagt. Wenn ich auf die Münze schaue, um zu sehen, in welchem ​​Zustand sie sich befindet, wird sie je nach Wahrscheinlichkeit entweder zu Kopf oder Zahl. Wenn sie näher an den Köpfen liegt, ist es wahrscheinlicher, dass sie bei Betrachtung zu Köpfen wird. und umgekehrt, obwohl es eine Chance gibt, dass die nah am Kopf liegende Münze beim Betrachten zu Schwänzen wird.

Wenn ich mir diese Spezialmünze anschaue, kann nicht mehr auf Informationen zugegriffen werden, die zuvor darin enthalten waren. Wenn ich auf meine Shakespeare-Münze schaue, bekomme ich nur Kopf oder Zahl, und wenn ich wegschaue, ist es immer noch das, was ich beim Anschauen gesehen habe - es kehrt nicht auf magische Weise zu einer Shakespeare-Münze zurück. Ich möchte an dieser Stelle darauf hinweisen, dass Sie vielleicht denken, wie Blue in den Kommentaren betont, dass

Angesichts des enormen Fortschritts in der modernen Technologie hindert mich nichts daran, die genaue Ausrichtung einer Münze zu überwachen, die beim Fallen in die Luft geworfen wird. Ich muss nicht unbedingt "hineinschauen", dh anhalten und prüfen, ob es als "Kopf" oder "Schwanz" gefallen ist.

Diese "Überwachung" zählt als Messung. Es gibt keine Möglichkeit, den Zwischenzustand dieser Münze zu erkennen. Keine, nada, zilch. Das ist ein bisschen anders als bei einer normalen Münze, nicht wahr?

Das Codieren aller Werke von Shakespeare in unserer Medaille ist theoretisch möglich, aber wir können niemals wirklich auf diese Informationen zugreifen, was nicht sehr nützlich ist.

Schöne kleine mathematische Neugierde, die wir hier haben, aber wie können wir damit überhaupt etwas anfangen?

Das Problem mit der klassischen Mechanik

Lassen Sie uns hier einen Schritt zurücktreten und zu einem anderen Kurs wechseln. Wenn ich einen Ball zu dir wirfe und du ihn fängst, können wir die Bewegung des Balls genau nachbilden (wenn alle Parameter gegeben sind). Wir können seine Flugbahn mit Newtons Gesetzen analysieren, seine Bewegung durch die Luft mithilfe der Strömungsmechanik herausfinden (es sei denn, es gibt Turbulenzen ) und so weiter.

Lassen Sie uns also ein kleines Experiment durchführen. Ich habe eine Wand mit zwei Schlitzen und eine andere Wand hinter dieser Wand. Ich habe eines dieser Tennisballwerfer-Dinge vorne aufgestellt und es Tennisbälle werfen lassen. In der Zwischenzeit bin ich an der Rückwandmarkierung, wo alle unsere Tennisbälle landen. Wenn ich dies ankreuze, sind in den Daten direkt hinter den beiden Schlitzen deutliche "Buckel" zu sehen, wie Sie vielleicht erwarten.

Jetzt schalte ich unseren Tennisballwerfer auf etwas um, das wirklich winzige Partikel herausschießt. Vielleicht habe ich einen Laser und wir schauen, wo die Photonen nachschlagen. Vielleicht habe ich eine Elektronenkanone. Was auch immer, wir schauen uns an, wo diese subatomaren Teilchen wieder enden. Dieses Mal bekommen wir nicht die zwei Höcker, wir bekommen ein Interferenzmuster.

Kommt Ihnen das überhaupt bekannt vor? Stellen Sie sich vor, Sie werfen zwei Kieselsteine ​​direkt nebeneinander in einen Teich. Siehst du jetzt vertraut aus? Die Wellen in einem Teich stören sich gegenseitig. Es gibt Stellen, an denen sie sich aufheben, und Stellen, an denen sie größer werden und schöne Muster bilden. Jetzt sehen wir ein Interferenzmuster, das Partikel schießt . Diese Partikel müssen sich wellenartig verhalten. Vielleicht haben wir uns die ganze Zeit geirrt. (Dies wird als Doppelspaltexperiment bezeichnet .) Leider sind Elektronen Wellen, keine Teilchen.

Außer ... sie sind auch Partikel. Betrachtet man Kathodenstrahlen (Elektronenströme in Vakuumröhren), zeigt das Verhalten dort deutlich, dass Elektronen ein Teilchen sind. Wikipedia zitieren:

Wie eine Welle bewegen sich Kathodenstrahlen in geraden Linien und erzeugen einen Schatten, wenn sie von Objekten blockiert werden. Ernest Rutherford hat gezeigt, dass Strahlen durch dünne Metallfolien hindurchtreten können, das Verhalten, das von einem Partikel erwartet wird. Diese widersprüchlichen Eigenschaften verursachten Störungen, als [...] versucht wurde, sie als Welle oder Teilchen zu klassifizieren. Die Debatte wurde gelöst, als JJ Thomson die Strahlen durch ein elektrisches Feld ablenkte. Dies war ein Beweis dafür, dass die Strahlen aus Teilchen bestanden, da Wissenschaftler wussten, dass es unmöglich ist, elektromagnetische Wellen mit einem elektrischen Feld abzulenken.

Also ... sie sind beide . Oder besser gesagt, sie sind etwas völlig anderes. Das ist eines von mehreren Rätseln, die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts gesehen haben. Wenn Sie sich einige der anderen ansehen möchten, schauen Sie sich die Schwarzkörperstrahlung oder den fotoelektrischen Effekt an .

Was hat das Problem behoben - die Quantenmechanik

Diese Probleme führen uns zu der Erkenntnis, dass die Gesetze, die es uns ermöglichen, die Bewegung dieses Balls, den wir hin und her werfen, zu berechnen, nicht in wirklich kleinem Maßstab funktionieren. So wurde eine neue Reihe von Gesetzen entwickelt. Diese Gesetze wurden nach einer der Hauptideen, die dahinter stecken, als Quantenmechanik bezeichnet - die Existenz grundlegender Energiepakete, die Quanten genannt werden.

Die Idee ist, dass ich dir nicht einfach .00000000000000000000000000 plus ein paar Nullen 1 Joule Energie geben kann - ich kann dir nur eine minimale Energiemenge geben. In Währungssystemen kann ich Ihnen einen Dollar oder einen Penny geben, aber (in amerikanischem Geld jedenfalls) kann ich Ihnen keinen "halben Penny" geben. Existiert nicht Energie (und andere Werte) können in bestimmten Situationen ähnlich sein. (Nicht alle Situationen, und dies kann in der klassischen Mechanik manchmal vorkommen - siehe auch dies ; danke an Blue für den Hinweis.)

Auf jeden Fall haben wir diese neuen Gesetze, die Quantenmechanik. Und die Entwicklung dieser Gesetze ist abgeschlossen, wenn auch nicht vollständig korrekt (siehe Quantenfeldtheorien, Quantengravitation), aber die Geschichte ihrer Entwicklung ist irgendwie interessant. Da war dieser Typ, Schrödinger, der ( vielleicht? ) Den Ruf hatte, Katzen zu töten , und der die Wellengleichungsformulierung der Quantenmechanik erfand. Und dies wurde von vielen Physikern bevorzugt, weil es der klassischen Art der Berechnung ähnelte - Integrale und Hamilton-Werte und so weiter.

Ein anderer Typ, Heisenberg, hat sich eine ganz andere Methode ausgedacht, um den Zustand eines Teilchens quantenmechanisch zu berechnen, die man Matrixmechanik nennt. Ein weiterer Typ, Dirac, bewies, dass die Formulierungen für die mechanische Matrix und die Wellengleichung gleich waren.

Also müssen wir jetzt wieder die Stifte wechseln - was sind Matrizen und ihre Freundvektoren?

Vektoren und Matrizen - oder eine hoffentlich schmerzlose lineare Algebra

$^2$

Wir haben also diese Vektoren. Welche Art von Mathe kann ich mit ihnen machen? Wie kann ich einen Vektor manipulieren? Ich kann Vektoren mit einer normalen Zahl wie 3 oder 2 (diese werden Skalare genannt) multiplizieren, um sie zu strecken, zu verkleinern (wenn ein Bruch) oder umzukehren (wenn negativ). Ich kann Vektoren ziemlich einfach addieren oder subtrahieren - wenn ich einen Vektor (2, 3) + (4, 2) habe, der gleich (6, 5) ist. Es gibt auch Skalarprodukte und Kreuzprodukte genannt Sachen , die wir nicht in hier bekommen - wenn Interesse an einem dieser, aufblicken 3blue1brown der linearen Algebra Serie , die sehr zugänglich ist, tatsächlich lehrt, wie man tun es, und ist eine fabelhafte Weise über dieses Zeug zu lernen.

$\hat{i}$$\hat{j}$$\sqrt{-1} = i$

Dann sehen wir, wo i-hat und j-hat in unserem neuen Koordinatensystem landen. In der ersten Spalte unserer Matrix schreiben wir die neuen Koordinaten von i-hat und in der zweiten Spalte die neuen Koordinaten von j-hat. Wir können diese Matrix nun mit jedem Vektor multiplizieren und diesen Vektor im neuen Koordinatensystem erhalten. Der Grund dafür ist, dass Sie Vektoren als sogenannte Linearkombinationen umschreiben können. Dies bedeutet, dass wir sagen können, (2, 3) sei 2 * (1, 0) + 3 * (0, 1) - das heißt, 2 * i-hat + 3 * j-hat. Wenn wir eine Matrix verwenden, multiplizieren wir diese Skalare effektiv mit dem "neuen" i-hat und j-hat. Bei Interesse können Sie sich auch hier die Videos von 3blue1brown ansehen. Diese Matrizen werden in vielen Bereichen häufig verwendet, aber hier kommt die Namensmatrixmechanik her.

Alles zusammenbinden

Jetzt können Matrizen Rotationen der Koordinatenebene darstellen oder die Koordinatenebene oder eine Reihe anderer Dinge strecken oder schrumpfen. Aber ein Teil dieses Verhaltens ... kommt mir bekannt vor, nicht wahr? Unsere kleine Sondermünze klingt irgendwie so. Wir haben diese Rotationsidee. Was ist, wenn wir den horizontalen Zustand durch i-hat und den vertikalen durch j-hat darstellen und beschreiben, wie die Drehung unserer Münze lineare Kombinationen verwendet? Das funktioniert und macht unser System viel einfacher zu beschreiben. So kann unsere kleine Münze mit linearer Algebra beschrieben werden.

Was kann sonst noch als lineare Algebra beschrieben werden und hat seltsame Wahrscheinlichkeiten und Messungen? Quantenmechanik. (Insbesondere wird diese Idee linearer Kombinationen zur Idee der sogenannten Überlagerung, bei der die gesamte Idee "zwei Zustände zur gleichen Zeit", die so stark vereinfacht ist, dass sie nicht mehr richtig ist, ihren Ursprung hat.) Diese speziellen Münzen können also quantenmechanische Objekte sein. Was sind quantenmechanische Objekte?

• Photonen
• Supraleiter
• Elektronenenergiezustände in einem Atom

Mit anderen Worten, alles, was das Verhalten der diskreten Energie (Quanten) hat, aber auch wie eine Welle wirken kann - sie können sich gegenseitig stören und so weiter.

Wir haben also diese speziellen quantenmechanischen Münzen. Wie sollen wir sie nennen? Sie speichern einen Informationszustand wie Bits ... aber sie sind Quanten. Das sind Qubits. Und was machen wir jetzt? Wir manipulieren die darin gespeicherten Informationen mit Matrizen (Ahem, Gates). Wir messen, um Ergebnisse zu erzielen. Kurz gesagt, wir berechnen.

Jetzt wissen wir, dass wir nicht unendlich viele Informationen in einem Qubit kodieren können und trotzdem darauf zugreifen können (siehe die Hinweise auf unserer "Shakespeare-Münze"). Was ist also der Vorteil eines Qubits? Die Tatsache, dass diese zusätzlichen Informationsbits alle anderen Qubits beeinflussen können (es ist wieder die Idee der Überlagerung / linearen Kombination), die die Wahrscheinlichkeit beeinflusst, die dann Ihre Antwort beeinflusst - aber es ist sehr schwierig, sie zu verwenden, weshalb sie dort ist sind so wenige Quantenalgorithmen.

Die Sondermünze gegen die normale Münze - oder was unterscheidet ein Qubit?

Also ... wir haben dieses Qubit. Aber Blue bringt einen tollen Punkt vor.

$\frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle$

Es gibt verschiedene Unterschiede - die Art und Weise, wie die Messung funktioniert (siehe den vierten Absatz), diese ganze Überlagerungsidee - aber der entscheidende Unterschied (Mithrandir24601 hat dies im Chat hervorgehoben, und ich stimme zu) ist die Verletzung der Bellschen Ungleichungen.

Lassen Sie uns einen anderen Weg einschlagen. Als die Quantenmechanik entwickelt wurde, gab es eine große Debatte. Es begann zwischen Einstein und Bohr. Als Schrödingers Wellentheorie entwickelt wurde, war klar, dass die Quantenmechanik eine probabilistische Theorie sein würde. Bohr veröffentlichte einen Artikel über diese probabilistische Weltanschauung, den er abschließend sagte

Hier taucht das ganze Problem des Determinismus auf. Aus Sicht unserer Quantenmechanik gibt es keine Größe, die im Einzelfall die Konsequenz der Kollision ursächlich festlegt; Aber auch experimentell haben wir bisher keinen Grund zu der Annahme, dass es einige innere Eigenschaften des Atoms gibt, die ein bestimmtes Ergebnis für die Kollision voraussetzen. Müssen wir später hoffen, solche Eigenschaften zu entdecken ... und sie im Einzelfall zu ermitteln? Oder sollten wir glauben, dass die Übereinstimmung von Theorie und Experiment - in Bezug auf die Unmöglichkeit, Bedingungen für eine kausale Evolution vorzuschreiben - eine vorher festgelegte Harmonie ist, die auf dem Nichtvorhandensein solcher Bedingungen beruht? Ich selbst neige dazu, den Determinismus in der Welt der Atome aufzugeben. Das ist aber eine philosophische Frage, für die physikalische Argumente allein nicht ausschlaggebend sind.

Die Idee des Determinismus gibt es schon eine Weile. Vielleicht stammt eines der bekanntesten Zitate zu diesem Thema von Laplace, der sagte

Ein Intellekt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Kräfte kennt, die die Natur in Bewegung setzen, und alle Positionen aller Elemente, aus denen die Natur besteht. Wenn dieser Intellekt auch groß genug wäre, um diese Daten einer Analyse zu unterziehen, würde er in einer einzigen Formel zusammengefasst die Bewegungen der größten Körper des Universums und die des kleinsten Atoms; für einen solchen intellekt wäre nichts ungewiss und die zukunft wäre wie die vergangenheit vor ihren augen gegenwärtig.

Die Idee des Determinismus ist, dass man, wenn man alles über einen gegenwärtigen Zustand weiß und die physikalischen Gesetze anwendet, die wir haben, die Zukunft (effektiv) herausfinden kann. Die Quantenmechanik dezimiert diese Idee jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit. "Ich selbst neige dazu, den Determinismus in der Welt der Atome aufzugeben." Das ist eine riesige Sache!

Albert Einsteins berühmte Antwort:

Die Quantenmechanik verdient besondere Beachtung. Aber eine innere Stimme sagt mir, dass dies noch nicht der richtige Weg ist. Die Theorie liefert viel, bringt uns aber den Geheimnissen des Alten kaum näher. Ich bin auf jeden Fall davon überzeugt, dass er nicht würfelt.

(Bohrs Antwort lautete anscheinend "Hör auf, Gott zu sagen, was zu tun ist", aber trotzdem.)

Eine Weile gab es Debatten. Versteckte Variablentheorien tauchten auf, bei denen es nicht nur um die Wahrscheinlichkeit ging - es gab eine Möglichkeit, wie das Teilchen "wusste", was es sein würde, wenn es gemessen wurde. es war nicht alles dem Zufall überlassen. Und dann war da noch die Bellsche Ungleichung. Wikipedia zitieren,

In seiner einfachsten Form besagt der Satz von Bell

Keine physikalische Theorie lokaler versteckter Variablen kann jemals alle Vorhersagen der Quantenmechanik reproduzieren.

Und es bot eine Möglichkeit, dies experimentell zu überprüfen. Es ist wahr - es ist reine Wahrscheinlichkeit. Dies ist kein klassisches Verhalten. Es ist alles Zufall, Zufall, der andere Chancen durch Überlagerung beeinflusst und dann bei der Messung zu einem einzigen Zustand "zusammenbricht" (wenn Sie der Kopenhagener Interpretation folgen). Zusammenfassend lässt sich sagen: Erstens unterscheidet sich die Messung in der Quantenmechanik grundlegend, und zweitens ist die Quantenmechanik nicht deterministisch. Beide Punkte bedeuten, dass sich jedes Quantensystem, einschließlich eines Qubits, grundlegend von jedem klassischen System unterscheidet.

Ein kleiner Haftungsausschluss

Xkcd weist darauf hin, dass jede Analogie eine Annäherung ist. Diese Antwort ist überhaupt nicht formal und es gibt eine Menge mehr an diesem Zeug. Ich hoffe, dass ich zu dieser Antwort eine etwas formellere (wenn auch noch nicht vollständig formelle) Beschreibung hinzufügen kann, aber bitte denken Sie daran.

Ressourcen

• Nielsen und Chuang, Quantum Computing und Quantum Information. Die Bibel des Quantencomputers.

• Die linearen Algebra- und Kalkülkurse von 3blue1brown eignen sich hervorragend für die Mathematik.

• Michael Nielsen (ja, der Typ, der das Lehrbuch oben mitautorisiert hat) hat eine Videoserie mit dem Titel Quantum Computing for the Determined. 10/10 würde empfehlen.

• quirk ist ein großartiger kleiner Simulator eines Quantencomputers, mit dem Sie herumspielen können.

• Ich habe vor einiger Zeit einige Blog-Posts zu diesem Thema geschrieben (wenn es Ihnen nichts ausmacht, mein Schreiben zu lesen, was nicht sehr gut ist), die hier zu finden sind und versuchen, von den Grundlagen auszugehen und weiterzuarbeiten.

Was ist physikalisch ein "Quantenbit"? Wie ist es "Quanten"?

Lassen Sie mich zunächst Beispiele für klassische Bits geben:

• In einer CPU: niedrige Spannung = 0, hohe Spannung = 1
• Auf einer Festplatte: Nordmagnet = 0, Südmagnet = 1
• In einem Barcode auf Ihrem Bibliotheksausweis: Dünner Balken = 0, dicker Balken = 1
• In einer DVD: Fehlen einer tiefen mikroskopischen Vertiefung auf der Platte = 0, Anwesenheit = 1

In jedem Fall können Sie etwas dazwischen haben:

• Wenn "Niederspannung" 0 mV und "Hochspannung" 1 mV ist, können Sie eine Mittelspannung von 0,5 mV haben
• Sie können einen Magneten in jede Richtung polarisieren lassen, z. B. nach Nordwesten
• In einem Barcode können Linien beliebiger Breite enthalten sein
• Auf der Oberfläche einer DVD können Pits mit verschiedenen Tiefen vorhanden sein

In der Quantenmechanik können Dinge nur in "Paketen" existieren, die "Quanten" genannt werden. Der Singular von "Quanten" ist "Quanten" . Dies bedeutet, dass für das Barcode-Beispiel, wenn die dünne Linie ein "Quantum" war, die dicke Linie zweimal so groß sein kann wie die dünne Linie (zwei Quanten), aber nicht das 1,5-fache der Dicke der dünnen Linie. Wenn Sie in Ihrer Bibliothek Karte anschauen , werden Sie feststellen , dass Sie können Linien zeichnen , die mit einer Dicke von 1,5 - fache der Größe der dünnen Linien sind , wenn Sie wollen, was ein Grund ist , warum Barcode - Bits sind nicht Qubits.

Es gibt einige Dinge, in denen die Gesetze der Quantenmechanik nichts zwischen der 0 und der 1 erlauben, einige Beispiele sind unten:

• Spin eines Elektrons : Es ist entweder auf (0) oder ab (1), kann aber nicht dazwischen liegen.
• Energieniveau eines Elektrons: 1. Niveau ist 0, 2. Niveau ist 1, es gibt kein 1.5. Niveau

Ich habe Ihnen zwei Beispiele dafür gegeben, was ein Qubit physikalisch sein kann: Spin eines Elektrons oder Energieniveau eines Elektrons.

Welchem ​​Zweck dient es beim Quantencomputing?

$n$$2^n$

01$|0\rangle$$|1\rangle$

$\alpha$$\beta$$|\psi_0 \rangle$

$Z$010$\alpha^2$1$\alpha^2$$\alpha^2+\beta^2=1$

$\alpha |0\rangle + \beta |1\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$

$|0\rangle$$|1 \rangle$

$n$$2^n$$n$

Aber wie das funktioniert, muss ich auf den Rest der Fragen und Antworten in diesem Stapelaustausch verweisen.

Ein Qubit (Quantenbit) ist ein Quantensystem, das vollständig durch ("lebt in") einen zweidimensionalen komplexen Vektorraum beschrieben werden kann.

$|0\rangle$$|1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$

Um Berechnungen durchführen zu können, müssen Sie außerdem in der Lage sein, eine "vollständige" Menge von Operationen zu induzieren, die auf ein oder zwei Qubits wirken. Wenn Sie keine Operation einleiten, sollten Qubits nicht miteinander interagieren. Sofern die Interaktion mit der Umgebung nicht unterdrückt wird, interagieren Qubits miteinander.

Ein klassisches Bit ist übrigens viel einfacher als ein Qubit. Es ist ein System, das durch eine boolesche Variable beschrieben werden kann

Alles, was wir in Quantentechnologien beobachten (Photonen, Atome usw.), sind Bits (entweder eine 0 oder eine 1).

Im Grunde weiß niemand wirklich, was ein Quantenbit ist. Einige Leute sagen, es ist ein Objekt, das "beide" 0 und 1 ist; andere sagen, es geht um Dinge, die mit Paralleluniversen zu tun haben; Aber die Physiker wissen nicht, was es ist, und haben Interpretationen entwickelt, die nicht bewiesen sind.

Der Grund für diese "Verwirrung" ist auf zwei Faktoren zurückzuführen:

(1) Man kann bemerkenswerte Aufgaben erledigen, die nicht durch das Denken der Quantentechnologie in Form von normalen Bits erklärt werden können. Es muss also ein zusätzliches Element enthalten sein, das wir als "Quanten" -Bit bezeichnen. Aber hier ist der kritische Punkt: Dieses zusätzliche "Quanten" -Element kann nicht direkt erkannt werden. Alles, was wir beobachten, sind normale Teile, wenn wir das System "anschauen".

(2) Eine Möglichkeit, dieses zusätzliche "Quantenmaterial" zu "sehen", ist die Mathematik. Daher ist eine gültige Beschreibung eines Qubits mathematisch, und jede Übersetzung davon ist eine Interpretation, die noch nicht bewiesen wurde.

Zusammenfassend weiß niemand, was Quantenbits sind. Wir wissen, dass Quantentechnologien mehr als nur Bits enthalten, die wir als "Quantenbit" bezeichnen. Und bis jetzt ist die einzig gültige (und doch unbefriedigende) Beschreibung mathematisch.

Ich hoffe, das hilft.