Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений.
Состояние кубита Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых и (обозначения Дирака), но при этом может находиться и в их суперпозиции. В общем случае его волновая функция имеет вид , где и называются амплитудами вероятностей и являются комплексными числами, удовлетворяющими условию . Состояние кубита удобно представлять как стрелку на сфере Блоха.
При измерении состояния кубита можно получить лишь одно из его собственных состояний. Вероятности получить каждое из них равны соответственно и . Как правилоНапример, состояние кубита почти не разрушается при слабых измерениях, а также при неразрушающих измерениях, использующихся в квантовой коррекции ошибок. Однако оба эти метода не позволяют получить полную информацию о состоянии кубита, при измерении состояние кубита необратимо разрушается, чего не происходит при измерении классического бита.
Квантовая запутанность Кубиты могут быть запутаны друг с другом. Квантовой запутанностью могут обладать два и более кубита, и она выражается в наличии особой корреляции между ними, которая невозможна в классических системах. Одним из наиболее простых примеров запутанности двух кубитов является состояние Белла :
Запись обозначает состояние, когда оба кубита находятся в состоянии . Для состояния Белла характерно то, что при измерении первого кубита возможны два результата: 0 с вероятностью 1/2 и конечным состоянием , и 1 с вероятностью 1/2 и конечным состоянием . Как следствие, измерение второго кубита всегда даёт тот же результат, что и измерение первого кубита, т. е. данные измерений оказываются коррелированными.
Количество информации В то время как для полного описания системы из n классических битов достаточно n нулей и единиц, для описания системы из n кубитов необходимо (2n - 1) комплексных чисел. Это связано с тем, что n-кубитную систему можно представить как вектор в 2n-мерном гильбертовом пространстве. Отсюда следует, что система из кубитов может вместить в себя экспоненциально больше информации, чем система из битов.
Например, в один кубит можно записать до двух битов информации Шеннона, используя сверхплотное кодирование, а система из n кубитов может использоваться для кодирования 2n чисел, что применяется, например, в квантовом машинном обучении.
Однако стоит учитывать, что экспоненциальное увеличение пространства состояний системы не обязательно приводит к экспоненциальному росту вычислительной мощности в связи со сложностью кодирования и считывания информации.
История Слово «qubit» ввёл в употребление Бен Шумахер из Кеньон-колледжа (США) в 1995 г., а А. К. Звездин в своей статье предложил вариант перевода «q-бит». Иногда также можно встретить название «квантбит».
В 2025 году физики ННГУ им. Н. И. Лобачевского создали новый тип кубитов на основе искусственных атомов. Система на основе арсенида галлия позволяет управлять при помощи электрического поля зарядом и вектором вращения кубита для создания более сложных миниатюрных квантовых систем. Кроме того, гибридный кубит можно зафиксировать в определенном состоянии, что практически невозможно выполнить с обычными кубитами.
Вариации и обобщения Обобщением понятия кубит является кудит (Q-энк, куэнк; qudit), способный хранить в одном разряде более двух значений (например, кутрит — 3, куквадрит — 4, …, куэнк — n)Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация: Пер. с англ. — М.: Мир, 2006. 824 с. ISBN 5-03-003524-9.
Примечания Источники
Комментарии
Ссылки
Квантовая информатика: компьютеры, связь и криптография А. Китаев, А. Шень, М. Вялый. Классические и квантовые вычисления. — М.: МЦНМО, 1999. 192 с.
Категория:Единицы измерения информации Категория:Квантовый компьютер