Στον τομέα της κβαντικής μηχανικής, ένα qubit αντιπροσωπεύει τη θεμελιώδη μονάδα κβαντικής πληροφορίας, ανάλογη με το κλασικό bit. Σε αντίθεση με τα κλασικά bit, τα οποία μπορούν να υπάρχουν είτε σε κατάσταση 0 είτε σε 1, τα qubits μπορούν να υπάρχουν σε μια υπέρθεση και των δύο καταστάσεων ταυτόχρονα. Αυτή η μοναδική ιδιότητα βρίσκεται στον πυρήνα του κβαντικού υπολογισμού και της κβαντικής επεξεργασίας πληροφοριών, προσφέροντας τη δυνατότητα για εκθετική υπολογιστική ισχύ σε σύγκριση με τα κλασικά συστήματα.
Μία από τις βασικές αρχές που διέπουν τα qubit είναι η υπέρθεση, η οποία τους επιτρέπει να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις μέχρι να μετρηθούν. Όταν ένα qubit βρίσκεται σε κατάσταση υπέρθεσης, διατηρεί έναν συνδυασμό 0 και 1, με συντελεστές που καθορίζουν την πιθανότητα μέτρησης κάθε κατάστασης κατά την παρατήρηση. Ωστόσο, η πράξη της μέτρησης ενός qubit διαταράσσει την κατάσταση υπέρθεσης, προκαλώντας την κατάρρευση σε μία από τις βασικές καταστάσεις (0 ή 1). Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης.
Η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης κατά τη μέτρηση είναι μια θεμελιώδης πτυχή της κβαντικής μηχανικής. Προέρχεται από την πιθανολογική φύση των κβαντικών καταστάσεων και την εγγενή αβεβαιότητα στην πρόβλεψη του αποτελέσματος των μετρήσεων. Αυτή η κατάρρευση δεν είναι ντετερμινιστική, πράγμα που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα μιας μέτρησης δεν μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια εκ των προτέρων. Αντίθετα, διέπεται από πιθανότητες που υπαγορεύονται από τους συντελεστές της κατάστασης υπέρθεσης.
Πρακτικά, όταν μετράται ένα qubit, η κατάσταση υπέρθεσης χάνεται και το qubit λαμβάνει μια καθορισμένη κατάσταση είτε 0 είτε 1. Αυτή η μη αναστρέψιμη διαδικασία μεταβάλλει τις κβαντικές πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο qubit, οδηγώντας στην απώλεια των υπολογιστικών πλεονεκτημάτων που προσφέρονται με υπέρθεση. Ως αποτέλεσμα, η μέτρηση ενός qubit καταστρέφει πράγματι την κβαντική υπέρθεση του, μεταφέροντάς το σε μια κλασική κατάσταση με μια καλά καθορισμένη τιμή.
Για να επεξηγήσετε αυτήν την έννοια, θεωρήστε ένα qubit σε κατάσταση υπέρθεσης που παριστάνεται ως |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, όπου α και β είναι μιγαδικά πλάτη πιθανότητας. Κατά τη μέτρηση, το qubit συμπτύσσεται είτε σε |0⟩ με πιθανότητα |α|^2 είτε |1⟩ με πιθανότητα |β|^2. Η πράξη μέτρησης επιλέγει αποτελεσματικά ένα από αυτά τα αποτελέσματα, αναγκάζοντας το qubit να χάσει τις ιδιότητές του υπέρθεσης και να εμφανίσει κλασική συμπεριφορά.
Η μέτρηση ενός qubit οδηγεί στην καταστροφή της κβαντικής υπέρθεσης του, με αποτέλεσμα την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης και την απώλεια της κβαντικής συνοχής. Αυτή η θεμελιώδης πτυχή της κβαντικής μηχανικής στηρίζει τη μετάβαση από την κβαντική στην κλασική συμπεριφορά στα κβαντικά συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών, υπογραμμίζοντας τη λεπτή φύση των κβαντικών καταστάσεων και την επίδραση της μέτρησης στις ιδιότητές τους.
Άλλες πρόσφατες ερωτήσεις και απαντήσεις σχετικά με Κβαντικές βασικές αρχές πληροφοριών EITC/QI/QIF:
- Τα πλάτη των κβαντικών καταστάσεων είναι πάντα πραγματικοί αριθμοί;
- Πώς λειτουργεί η πύλη κβαντικής άρνησης (quantum NOT ή Pauli-X gate);
- Γιατί η πύλη Hadamard είναι αυτοαναστρέψιμη;
- Εάν μετρήσετε το 1ο qubit της κατάστασης Bell σε μια ορισμένη βάση και στη συνέχεια μετρήσετε το 2ο qubit σε μια βάση περιστρεφόμενη κατά μια ορισμένη γωνία θήτα, η πιθανότητα να λάβετε προβολή στο αντίστοιχο διάνυσμα είναι ίση με το τετράγωνο του ημιτόνου του θήτα;
- Πόσα bit κλασικής πληροφορίας θα απαιτούνταν για να περιγραφεί η κατάσταση μιας αυθαίρετης υπέρθεσης qubit;
- Πόσες διαστάσεις έχει ένας χώρος 3 qubits;
- Μπορούν οι κβαντικές πύλες να έχουν περισσότερες εισόδους από εξόδους όπως οι κλασσικές πύλες;
- Η παγκόσμια οικογένεια κβαντικών πυλών περιλαμβάνει την πύλη CNOT και την πύλη Hadamard;
- Τι είναι ένα πείραμα διπλής σχισμής;
- Είναι η περιστροφή ενός φίλτρου πόλωσης ισοδύναμη με την αλλαγή της βάσης μέτρησης της πόλωσης φωτονίων;
Δείτε περισσότερες ερωτήσεις και απαντήσεις στο EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals