Od "Hello World" do "Hello Quantum"

Hej! Dobrodošli u naš prvi tutorial!

Danas ćemo pokriti jedan od temeljnih koncepata kvantnog računanja - Superpoziciju i zapletenost.

Prije nego što započnemo, toplo vam preporučujemo da pogledate ovaj kratki video o eksperimentu Quantum Double Slit. Ovaj je videozapis bio razlog zašto smo razvili takav interes za ovo područje, a sigurni smo da će i vas iznenaditi!

slaganje

Sada kada ste kroz video vidjeli prikaz kvantne čudnosti, pogledajmo još jedan čudan aspekt - Superpoziciju.

Klasično računalo - ono koje koristimo gotovo svakodnevno - koristi "bitove" kao temeljnu jedinicu za pohranu podataka. Ti 'bitovi' mogu ikada uzeti samo jednu od dvije vrijednosti - 0 ili 1.

S kvantne strane stvari ove 'kvantne bitove' nazivamo 'qubitima'. Međutim, cool činjenica o qubitsima je da oni mogu uzeti vrijednost 0 ili 1, ili - pričekajte - BOTH 0 i 1 istovremeno! To intermedijarno stanje nazivamo kvantnim superpozicijom.

Zapravo, ovo je stanje u kojem se nalazi kubit, dok ga ne odlučimo izmjeriti. Da, kažem dok ga ne pokušamo izmjeriti, jer sam čin mjerenja vrijednosti qubita čini da se on "sruši" na jednu od dvije vrijednosti 0 ili 1. Nikad ne možemo vidjeti kbit u njegovom stanju superpozicije (pomislite Schrödingerove Mačka?).

Evo nekoliko ilustracija kako biste istaknuli razliku između klasičnog bita i qubita, a drugi koji vam omogućava vizualni prikaz superpozicije:

Klasični vs kvantni bitKvantna superpozicija

Možda ste se pitali što znače simboli | 0⟩ i | 1⟩ na kubitnoj slici? Ovo su ništa osim oznaka koje koristimo za predstavljanje vrijednosti qubita, a poznate su kao Bra-Ket-ove notacije. (| 0⟩ + | 1⟩) / √2 predstavlja „međupredmetnu“ ili superpozicijsku vrijednost qubita, koja je kombinacija stanja | 0⟩ i | 1⟩.

uplitanje

Sad kad smo shvatili što je superpozicija, prijeđimo na isprepletenost.

Kvantno zapletenost je kvantno mehanički fenomen u kojem kvantna stanja dva ili više objekata moraju biti opisana s obzirom na jedno drugo, iako pojedinačni objekti mogu biti prostorno odvojeni.

Je li vas ta linija preplavila? Ne brinite, tu smo da vam pojednostavimo. Shvatimo ovaj koncept na primjeru:

Razmotrite dvije nepristrane kovanice A i B. Kovanica A je bačena i pretpostavite da glasi kao glava. Možete li sigurno predvidjeti što će pročitati novac B kada se baci? Hehe ... vjerojatno ne. (Iako ste u pravu s 50% vjerojatnosti).

Umjesto toga, ako uzmemo u obzir dvije 'zapletene' kovanice A i B, a recimo da se novac A baca i čita kao glava. U ovom slučaju možemo biti 100% sigurni da će se novčić B čitati i kao glave. Nema šanse da se novčić B pročita kao repovi. Ili će A i B čitati glave ili će se oboje čitati kao repovi.

Dakle, na isti način, dva zapletena qubita, mjerena, ili će oboje imati vrijednost 0, ili će oba imati vrijednost 1. Dakle, možemo dobiti naše rezultate samo kao 00 ili 11, s mogućnošću 0% dobivanja 01 ili 10. To je ideja koja stoji iza kvantnog zapletanja. Zvuči cool, zar ne?

Uzmimo još jedan primjer da ovaj koncept postane kristalno jasan -

Neka naši sustavi mogu imati dva objekta koja ćemo nazvati c-ons. "C" znači sugerirati "klasično", ali ako biste željeli imati na umu nešto specifično i ugodno, možete razmišljati o našim c-onima kao o kolačima. Naši c-on dolaze u dva oblika, kvadratni ili kružni, koje identificiramo kao svoja moguća stanja. Tada su četiri moguća zajednička stanja, za dva c-on-a, (kvadrat, kvadrat), (kvadrat, krug), (krug, kvadrat), (krug, krug). Sljedeće tablice prikazuju dva primjera kakve bi vjerojatnosti mogle biti za pronalazak sustava u svakoj od ove četiri države.

Kažemo da su c-i "neovisni" ako znanje o stanju jednog od njih ne daje korisne informacije o stanju u drugom. Naš prvi stol ima ovo svojstvo. Ako je prvi c-on (ili torta) kvadratna, još uvijek smo u mraku oko oblika drugog. Slično tome, oblik drugog ne otkriva ništa korisno u vezi s oblikom prvog.

S druge strane, kažemo da su naša dva c-a zapletena kada informacije o jednom poboljšavaju naše znanje o drugom. Naš drugi stol pokazuje ekstremno zbrka. U tom slučaju, kad god je prvi c-on kružni, znamo da je i drugi kružni. A kad je prvi c-on kvadratan, onda je i drugi. Znajući oblik jednog, možemo zaključiti oblik drugog sa sigurnošću.

Vrijeme je za Code!

U redu, to je za sada dovoljno teorije, da vidimo sada kako sami možemo zaplesti dva kvita kroz kod! Koristit ćemo Qiskit alatni alat za pisanje Python koda koji možemo pokrenuti ili na simulatoru, ili čak i na stvarnom kvantnom računalu u IBM laboratoriju!

U gornjem kôdu, sigurno ste se pitali što su vrata Hadamarda i C-Not, i što oni rade?

Hadamardova vrata jednostavno su vrata koja se, kada se primjenjuju na qubit, dovode u stanje superpozicije.

Vrata C-Not, uzimaju dva parametra - prvi se naziva upravljački bit, a drugi je ciljni bit. Čini to što očitava vrijednost upravljačkog bita, a ako je | 0⟩, tada izlaz ostavlja ciljni bit netaknut, dok ako je vrijednost kontrolnog bita | 1⟩, tada C-Not vrata će okrenuti ciljni bit.

Na taj se način naš krug zapetljanja u osnovi sastoji od kubita u superpozicijskom stanju, čija vrijednost je kombinacija | 0⟩ i | 1⟩, a ovaj se qubit koristi kao kontrolni bit vrata C-Not, s ciljanim kbitom kao još jedan dostupan kubit. Budući da postoji vjerojatnost 50-50 da naš kubit ima vrijednost | 0⟩ ili | 1⟩, tako postoji i 50-50 šansi da li se ciljni kbit prebaci.

Ovaj postupak je ono što "zbunjuje" naša dva qubita tako da će uvijek mjeriti istu vrijednost kada se izmjere, bez obzira koliko se fizički zbližili ili bili udaljeni jedan od drugog.

Zaključak

Dakle, to je bio vaš uvod u svijet kvantne neobičnosti, i nadamo se da vas je zaintrigiralo jednako koliko nas je fasciniralo! Ako nas želite pitati ili imate bilo kakve povratne informacije u vezi s nečim na čemu trebamo poraditi na poboljšanju naših postova, slobodno nam se obratite na artofquantum@gmail.com ili nas na twitteru potražite kao @ArtOfQuantum !

Ovo rezimira naš prvi post o kvantnom zapletu. Zaista se nadamo da ste uživali i da ćete se vratiti za više tutorijala poput ovih koji dolaze uskoro!