البوابة الكمومية هي المكافئ في الحوسبة الكمومية لبوابة منطقية تقليدية. تأخذ كيوبتاً (أو عدة) في حالة، وتنتج كيوبتاً في حالة مختلفة. تتغير الحالة بشكل حتمي: تطبيق نفس البوابة على نفس المدخل يعطي دائماً نفس المخرج.
أنظف طريقة لتصور بوابة كيوبت فردي هي كـ دوران على كرة بلوخ. اضغط على أي من البوابات في التفاعل أعلاه وشاهد السهم يتأرجح إلى موقعه الجديد.
البوابات الكمومية مقابل التقليدية
ثلاثة فروق يجب أن تعرفها:
- يمكن أن تكون المدخلات في تراكب. ترى البوابة التقليدية 0 أو 1. ترى البوابة الكمومية التراكب كاملاً في آن واحد وتعمل على كل جزء منه في نفس الوقت.
- كل بوابة كمومية قابلة للعكس. كلها مصفوفات وحدوية، وهي دائماً قابلة للقلب. AND وOR وNAND التقليدية تفقد المعلومات ولا يمكن التراجع عنها. البوابات الكمومية تستطيع.
- هناك فضاء مستمر منها. البوابات التقليدية منفصلة (إما تُجري AND أو لا). تُوصف بوابات الكيوبت الفردي الكمومية بمصفوفات وحدوية 2×2، عائلة مستمرة من العمليات.
البوابات الشائعة
تحتاج فقط إلى حفنة من بوابات الكيوبت الفردي للقيام بكل ما يمكن لبوابات الكيوبت الفردي فعله:
- H (هادامارد): تُنشئ تراكباً. الأكثر استخداماً.
- X (Pauli-X): NOT الكمومية. تقلب
|0⟩↔|1⟩. - Y (Pauli-Y): دوران 180 درجة حول المحور y.
- Z (Pauli-Z): قلب الطور. تترك
|0⟩وحدها، تُرسل|1⟩إلى−|1⟩. - S: دوران 90 درجة حول المحور z. تضيف ربع دورة من الطور لـ
|1⟩. - T: دوران 45 درجة حول المحور z. تضيف ثُمن دورة من الطور.
البوابة مصفوفة وحدوية
الشيء الذي يجعل شيئاً بوابة كمومية صالحة هو أن مصفوفته وحدوية: U · U† = I (المصفوفة مضروبة بمنقولها المرافق هي مصفوفة الوحدة). تلك الخاصية هي ما يضمن أن البوابة تحافظ على الاحتمال الكلي وقابلة للعكس.
لكيوبت واحد، البوابة وحدوية 2×2. لكيوبتين، 4×4.
مع |a|² + |c|² = 1، |b|² + |d|² = 1، والأعمدة متعامدة.
بوابات الكيوبتين
لا يمكن لبوابات الكيوبت الفردي إنشاء تشابك كمومي. للقيام بذلك تحتاج إلى بوابة كيوبتين. الأهم هي CNOT (NOT المتحكم بها): تقلب الكيوبت الثانية فقط إذا كانت الكيوبت الأولى في |1⟩.
ادمج CNOT مع بوابات الكيوبت الفردي أعلاه ويمكنك بناء أي عملية كمومية، على أي عدد من الكيوبتات، بأي دقة مرغوبة. هذا ما يعنيه الناس عندما يقولون {H, T, CNOT} مجموعة بوابات شاملة.
مفاهيم ذات صلة
- بوابة هادامارد: البوابة التي تنشئ التراكب.
- بوابات باولي (X, Y, Z): الدورانات الأساسية الثلاثة.
- القياس الكمومي: الشيء الوحيد غير البوابة الذي يمكنك فعله بكيوبت.
- كرة بلوخ: الصورة التي تدورها البوابات.
Frequently asked questions
ما هي البوابة الكمومية ببساطة؟
البوابة الكمومية عملية تُدوّر كيوبتاً على كرة بلوخ. تأخذ حالة كمومية وتعطي حالة كمومية مختلفة، دائماً نفس الدوران لنفس البوابة. الخوارزميات الكمومية تسلسلات من هذه البوابات، تماماً كما البرامج التقليدية تسلسلات من NAND وAND وOR.
كيف تختلف البوابات الكمومية عن البوابات المنطقية التقليدية؟
البوابات التقليدية تأخذ بِتات (0 أو 1) وتنتج بِتات. البوابات الكمومية تأخذ كيوبتات، يمكن أن تكون في تراكب، والبوابة تعمل على التراكب كاملاً في آن واحد. أيضاً، كل بوابة كمومية قابلة للعكس: يمكنك دائماً التراجع عنها. كثير من البوابات التقليدية (مثل AND) تفقد المعلومات وليست قابلة للعكس.
كم عدد البوابات الكمومية المختلفة الموجودة؟
رياضياً، عدد لانهائي: أي مصفوفة وحدوية 2×2 بوابة كيوبت فردي صالحة، وهناك فضاء مستمر منها. عملياً، يُنفّذ العتاد الكمومي الحقيقي مجموعة بوابات شاملة صغيرة (غالباً {H, T, CNOT}) ويدمجها لبناء أي عملية تحتاجها الخوارزمية.
ما أهم بوابات الكيوبت الفردي الكمومية؟
البوابات الخمس التي ستراها كثيراً: H (هادامارد) تُنشئ التراكب؛ بوابات باولي الثلاث X, Y, Z دورانات 180 درجة حول كل محور (Pauli-X هي NOT الكمومية)؛ وS وT تضيفان 90 درجة و45 درجة من الطور على التوالي. ادمجها ويمكنك تقريب أي عملية كيوبت فردي.
ماذا عن بوابات الكيوبتين؟
أكثر بوابات الكيوبتين شيوعاً هي CNOT (NOT المتحكم بها). تقلب الكيوبت الهدف فقط عندما تكون الكيوبت المتحكمة في |1⟩. CNOT هي ما يخلق التشابك الكمومي بين الكيوبتات؛ بدونها، لا يمكن لبوابات الكيوبت الفردي إنتاج أي.
هل البوابات الكمومية قابلة للعكس دائماً؟
نعم. كل بوابة كمومية تُوصف بمصفوفة وحدوية، والمصفوفات الوحدوية دائماً قابلة للقلب. المكان الوحيد الذي يدخل فيه عدم القابلية للعكس هو خلال القياس، الذي ليس بوابة.
هل بوابة هادامارد أهم بوابة كمومية؟
إنها بالتأكيد الأكثر استخداماً. تقريباً كل خوارزمية كمومية تبدأ بهادامارد على كل كيوبت لإنشاء تراكب موحد على جميع المدخلات. بدون تلك الخطوة الافتتاحية، لا يوجد تواز كمومي للاستغلال.
احصل على Qubi
شغّل البوابات الكمومية بيديك.
Qubi نموذج كيوبت حقيقي يمكنك حمله. طبّق H, X, Y, Z, S, T، وشاهد الحالة تتغير في يدك.