Кубит

Кубит (от англ. qubit или quantum bit, квантовый бит) — это наименьшая единица информации в квантовом компьютере, представляющая собой квантовую систему с двумя базовыми состояниями. В отличие от классического бита, который может находиться только в одном из двух состояний (0 или 1), кубит может одновременно находиться в суперпозиции этих состояний, что является фундаментальным свойством квантовой механики и лежит в основе потенциальной вычислительной мощности квантовых компьютеров.

Физическая природа кубита

Физически кубит может быть реализован на различных квантовых носителях. Основное требование к такой системе — наличие двух чётко различимых квантовых уровней, которые можно контролировать и измерять. Наиболее распространённые физические реализации кубитов включают:

• Сверхпроводящие кубиты. Основаны на джозефсоновских переходах в сверхпроводящих цепях. Состояния кубита кодируются направлением тока (например, по часовой стрелке и против) или уровнем энергии в квантовой точке. Это одна из наиболее зрелых технологий, используемая, в частности, компаниями Google и IBM.
• Ионные кубиты. Реализуются на единичных ионах, захваченных в электромагнитные ловушки (ионные ловушки Пауля). Состояния кодируются электронными уровнями энергии иона. Управление осуществляется с помощью лазерных импульсов. Отличаются высоким временем когерентности.
• Фотонные кубиты. Кодируют информацию в поляризации фотона, его фазе или временном положении. Фотоны слабо взаимодействуют с окружающей средой, что делает их перспективными для квантовой коммуникации, но сложными для реализации логических операций.
• Кубиты на основе дефектов в твёрдом теле. Например, азотно-вакансионные (NV) центры в алмазе. Состояния кодируются спином электрона или ядра. Эти кубиты могут работать при комнатной температуре и перспективны для сенсоров.
• Топологические кубиты. Теоретическая концепция, основанная на использовании неабелевых анионов. Предполагается, что такие кубиты будут чрезвычайно устойчивы к ошибкам, но их практическая реализация пока находится на ранних стадиях исследований.

Основные свойства кубита

Суперпозиция

Главное отличие кубита от классического бита — способность находиться в состоянии суперпозиции. Если классический бит всегда равен либо 0, либо 1, то состояние кубита описывается волновой функцией: |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, где α и β — комплексные числа, такие, что |α|² + |β|² = 1. Вероятность обнаружить кубит в состоянии |0⟩ при измерении равна |α|², а в состоянии |1⟩ — |β|². До момента измерения кубит находится в обоих состояниях одновременно.

Квантовая запутанность

Кубиты могут быть связаны особым квантовым образом — запутаны. Состояние запутанной системы кубитов не может быть описано независимо для каждого кубита. Измерение состояния одного кубита мгновенно определяет состояние другого, независимо от расстояния между ними. Это свойство используется для квантовой телепортации и некоторых алгоритмов.

Декогеренция

Кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям (тепловым флуктуациям, электромагнитным полям). Взаимодействие с окружающей средой приводит к потере квантовой информации — декогеренции. Время когерентности — критический параметр, определяющий, как долго кубит может сохранять своё квантовое состояние. Для практических вычислений требуется время когерентности, достаточное для выполнения тысяч логических операций.

Квантовые логические операции

Для выполнения вычислений над кубитами применяются квантовые гейты (вентили). В отличие от классических логических элементов, квантовые гейты обратимы и описываются унитарными матрицами. Основные операции включают:

• Однокубитные гейты: изменяют состояние одного кубита. Например, гейт Адамара (H) переводит кубит из базового состояния в суперпозицию, а гейт Паули-X (аналог классического NOT) инвертирует состояние.
• Двухкубитные гейты: создают запутанность между кубитами. Ключевым является гейт CNOT (контролируемое NOT), который инвертирует состояние второго кубита только в том случае, если первый кубит находится в состоянии |1⟩.

Набор из нескольких однокубитных гейтов и одного двухкубитного (например, CNOT) является универсальным, то есть достаточным для реализации любого квантового алгоритма.

Измерение кубита

Измерение кубита — это необратимый процесс, который разрушает его квантовое состояние. При измерении кубит «коллапсирует» в одно из базовых состояний (|0⟩ или |1⟩) с вероятностью, определяемой квадратом модуля соответствующей амплитуды. Повторное измерение того же кубита даст тот же результат. Поэтому квантовые алгоритмы часто требуют многократного повторения для получения статистически значимого результата.

Проблемы и ограничения

Основная сложность при создании и эксплуатации кубитов — борьба с декогеренцией и ошибками. Для исправления ошибок разрабатываются коды коррекции квантовых ошибок, которые требуют использования нескольких физических кубитов для создания одного «логического» кубита, устойчивого к ошибкам. По оценкам, для практических вычислений могут потребоваться тысячи или даже миллионы физических кубитов на один логический.

Другие проблемы включают:

• Масштабируемость: создание систем с сотнями и тысячами стабильно работающих кубитов.
• Точность операций: выполнение гейтов с ошибкой менее 0,1%.
• Температурные требования: большинство реализаций (кроме фотонных и некоторых твердотельных) требуют охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю (милликельвины).

Применение кубитов

Кубиты являются основой для квантовых компьютеров, которые потенциально могут решать задачи, недоступные классическим компьютерам. Основные области применения:

• Факторизация больших чисел и криптография: алгоритм Шора теоретически позволяет взламывать широко используемые криптосистемы (RSA).
• Поиск в неструктурированных базах данных: алгоритм Гровера обеспечивает квадратичное ускорение по сравнению с классическими алгоритмами.
• Моделирование квантовых систем: симуляция молекул и материалов для разработки новых лекарств, катализаторов и сверхпроводников.
• Оптимизация: решение задач логистики, финансового моделирования и машинного обучения.

История развития

Концепция кубита была впервые предложена в 1980-х годах. В 1981 году Ричард Фейнман выдвинул идею квантового компьютера. В 1985 году Дэвид Дойч формализовал понятие универсального квантового компьютера. Первые экспериментальные реализации одиночных кубитов появились в 1990-х годах. В 2019 году компания Google объявила о достижении «квантового превосходства» на процессоре Sycamore с 53 кубитами, выполнив за 200 секунд задачу, которая, по оценкам, заняла бы у самого мощного классического суперкомпьютера 10 000 лет (хотя этот результат был оспорен).

Источники

• Нильсен М., Чанг И. «Квантовые вычисления и квантовая информация». — М.: Мир, 2006.
• Китаев А. Ю., Шень А. Х., Вялый М. Н. «Классические и квантовые вычисления». — М.: МЦНМО, 1999.
• Валиев К. А., Кокин А. А. «Квантовые компьютеры: надежды и реальность». — Ижевск: РХД, 2001.
• Preskill J. «Quantum Computing in the NISQ era and beyond». — Quantum, 2018.
• Arute F. et al. «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor». — Nature, 2019.