Kvantbitt

Kvantbitt (inglise keeles quantum bit, lühendatult qubit) on kvantinformatsiooni ühik, biti vaste kvantmehaanikas ning põhiline informatsiooniühik kvantarvutites.

Erinevalt bitist, mis rangelt esindab ühte väärtust kahest võimalikust väärtusest (0 või 1), on kvantbiti võimalikud väärtused 0, 1 või nende superpositsioon.

Teoreetiline tähendus

Kvantbitile omistatud kvantfüüsikaliste omaduste tõttu ei saa hoomata kvantbiti esitatud informatsiooni selgelt määratud väärtustega. Selle asemel, et esitatud väärtustest lugeda välja kindel 'jah' või 'ei', mängib kvantbitt rohkem üldistatud halli alaga nende kahe vastusevariandi vahel, mis tähendab, et kvantbitt esitab ennekõike vastuse kohta tõenäosuse kui vastuse enda.

Kujutus

Blochi sfääri kujutus kvantbitist

Lineaaralgebras visualiseeritakse kvantbitti kui ühikvektorit tasandil, kus superpositsioonid on võrdsed lineaarsete kombinatsioonidega. Baasvektorid, mille lineaarsetest kombinatsioonidest superpositsioon moodustub, on $|0\rangle$ ja $|1\rangle$, kasutades bra-ket tähistust. Mõlemad baasvektorid sümboliseerivad kvantbiti kahte mõõdetavat seisundit.

$|\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ,\,$

Superpositsioon kujutatud lineaarse kombinatsioonina, kus α ja β on tõenäosusamplituudid ja põhimõtteliselt võivad olla kompleksarvud.

Blochi sfääriga on võimalik geomeetriliselt kujutada ühe kvantbiti võimalikke seisundeid, määrates põhjapooluse ja lõunapooluse vastavalt baaskvantseisunditeks $|0\rangle$'ks ja $|1\rangle$'ks. Superpositsiooni valem, võttes kasutusele polaarsed koordinaadid kompleksarvude asemel, oleks järgmine:

$|\psi \rangle =\cos \left({\frac {\theta }{2}}\right)|0\rangle +e^{i\phi }\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)|1\rangle$

Kui kvantseisundid erinevad üksteisest ainult globaalse faasiteguri järgi, siis on nad samaväärsed.

( $|\psi \rangle =e^{i\phi }|\psi \rangle$ )

Lisaks sellele, taandab ka kehtiva tõenäosusvalemi poolt loodud piirang

( $|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1\,$ )

antud geomeetrilise kujutuse vabadusastmete arvu ühe võrra.

Füüsiline kujutus

Kvantbitti saab kujutada ükskõik missuguse kvantosakesena, olgu selleks kas elektron, footon või midagi muud sarnast; põhiline on, et sellel osakesel on kaks võimalikku kvantseisundit, mida on võimalik teistest eraldada, kui osakesel tõesti juhtub olema üle kahe võimaliku kvantseisundi.

Järgnev on poolik nimekiri füüsiliste kvantbittide teostamise võimalustest.

Füüsiline tugi	Nimi	Informatsioonitugi	$|0\rangle$	$|1\rangle$
Footonid	Polarisatsiooni kodeering	Polarisatsioon	Horisontaalne	Vertikaalne
	Footonite arv	Focki seisund	Vaakum	Ühe footoni seisund
	Ajasalve kodeering	Saabumise aeg	Vara	Hilja
Koherentne valguse seisund	Surutud valgus	Kvadratuur	Amplituud-surutud seisund	Faas-surutud seisund
Elektronid	Spinn kvantarv	Spinn	Üles	Alla
	Elektronarv	Laeng	Puudub elektron	Üks elektron
Aatomituum	Tuumaspinn käsitletud läbi tuumamagnetresonantsi	Spinn	Üles	Alla
Optiline kristallvõre	Aatomi spinn	Spinn	Üles	Alla
Josephsoni siire	Ülijuhtivad laetud kvantbitid	Laeng	Laenguta ülijuhtiv saareke (Q=0)	Laenguga ülijuhtiv saareke (Q=2e, Cooperi lisapaar)
	Ülijuhtivad vooluga kvantbitid	Vool	Päripäeva vool	Vastupäeva vool
	Ülijuhtivad faaskvantbitid	Energia	Maandusseisund	Esimene ergastunud seisund
Üksikult laetud kvantpunkti paar	Elektroni lokalisatsioon	Laeng	Elektron vasakul punktil	Elektron paremal punktil
Kvantpunkt	Punkti spinn	Spinn	Alla	Üles

Mõõtmine

Kvantfüüsika iseärasuste tõttu, kus igasugune interaktsioon vaatlusobjektiga mõjutab tema käitumist, muutub kvantbiti väärtus tema mõõtmisel. Võttes tulemuse $|0\rangle$ tõenäosuseks $|\alpha |^{2}$ ning tulemuse $|1\rangle$ tõenäosuseks $|\beta |^{2}$, saavad tõenäosusamplituudid α ja β piiratud valemiga

$|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1\,$

Nii on tagatud, et kindlalt mõõdetud saab üks kvantseisunditest.

Seega kohe pärast reaalset mõõtmisprotsessi, läheb kvantbitt baaskvantseisundisse vastavalt mõõdetud tõenäosusele ning teistkordsel mõõtmisel on ainult võimalik mõõta 100% tõenäosusega saadud baaskvantseisundit ( $|0\rangle$ või $|1\rangle$ ).

Kahest kvantbitist koosneva kvantsüsteemi puhul on süsteemil võimalikke baaskvantseisundeid 4 ( $|00\rangle$, $|01\rangle$, $|10\rangle$, $|11\rangle$ ), kus iga süsteemis osaleva kvantbiti individuaalne baaskvantseisund on oluline ning süsteemi üldine kvantseisund võib olla üks neljast mainitud baaskvantseisundist või superpositsioon neist kõigist. Vaadeldava süsteemi superpositsioon'i valemisse seega lisanduvad uued konstandid:

$|\psi \rangle =\alpha |00\rangle +\beta |01\rangle +\gamma |10\rangle +\delta |11\rangle \,$

ning analoogiliselt muutub ka tõenäosust iseloomustav valem:

$|\alpha |^{2}+|\beta |^{2}+|\gamma |^{2}+|\delta |^{2}=1\,$

Kvantbittide paaride mõõtmisel muutub tähtsaks nähtuseks kvantfüüsikaline põimumine, mis võimaldab üksteisest määramata kaugusel asuvate kvantbittide seisundi, kus ei ole võimalik eristada ühte teisest. Tõenäosus põimunud seisundite puhul on igale osalevale kvantbitile sama ehk kui esimene kvantbitt saab mõõtmistulemuseks $|0\rangle$'i, siis kõik kvantfüüsilises põimumises osalevad kvantbitid saavad sama väärtuse.

Teoreetiline kasutus ja probleemid

Kuna töötlemata informatsioonihulka kuhjub iga päevaga üha enam juurde igas valdkonnas, on tekkinud tugev vajadus intelligentsemate töötlusvahendite järele. Kvantfüüsikaliste omaduste rakendamisega, oleks teoreetiliselt võimalik luua suures mahus paralleelselt informatsiooni töötlevaid kvantbitipõhiseid kvantarvuteid, mis oleksid väga efektiivsed omapoolt üldistatud informatsiooni võrdlusel ja mustrite märkamisel, sarnanedes üha rohkem tehisintellekti ideega.

Tänapäevaste arvutitega pole ka võimalik adekvaatselt jäljendada kvantfüüsika süsteeme, mis aitaks mõista seal toimuvat paremini.

Kvantbittide realiseerimist raskendab nende ülitundlikkus välismõjule, mille tõttu nad ei püsi vajalikus seisundis kaua. Potentsiaalseks probleemiks on ka mõõtmistäpsuste puudus. Kuna kvantbiti mõõtmisel saab vastuseks kvantbaasseisundi, millesse kvantbitt muutub mõõtmise järel, läheb detailne 'peidetud' informatsioon protsessi kestel kaduma.

Teostus

D-Wave Systems'i poolt välja arendatud 128 kvantbitiline kiip

Kvantbitid ja kvantarvutid ei ole enam ainult puhas teooria.

Üks tähelepanuväärseimaid saavutusi hiljuti oli D-Wave One'i, nii nimetatud 'maailma esimese kommertslikult saadaoleva' kvantarvuti väljaarendamine firma D-Wave Systemsi poolt, mis töötab 128 kvantbitiga kiibistikul.

D-Wave One'i kasutatavad kvantbitid on vägagi mürased ning kõrge veasagedusega, kuna D-Wave'i väljatöötatud ülesehitus on spetsiifiliselt mõeldud kvantlõõmutamiseks.

D-Wave'i kvantbitid on moodustatud ülijuhtivatest integraallülitustest, mis omavahel paaris olles seonduvad ülijuhtivateks vool-kvantbittideks.

Teise hiljutise tähelepanuväärse saavutuse autorid on NIST füüsikud, kes on ehitanud kvantsimulaatori, mis suudab kavandada umbkaudselt sadade kvantbittide vahelisi interaktsioone.

NIST kvantsimulaatori põhiline komponent on väike ühetasapinnaline kristall, mille läbimõõt on väiksem kui 1 mm ja mis koosneb sadadest berülliumioonidest. Kristall hõljub elektromagnetilises lõksus ning iga iooni väliseim elektron käitub väikse kvantmagnetina, mida saab kasutada kvantbitina.

Vaata ka

• Informatsioon
• Bitt
• Kvantarvuti
• Kvantmehaanika

Välislingid

• An update on qubits in the Oct 2005 issue of Scientific American
• Qubit.org cofounded by one of the pioneers in quantum computation, David Deutsch
• Quantum Computing Reading on Quantum Computing
• A tale of two qubits: how quantum computers work
• Quantum Computing