Kvantbitt

Allikas: Vikipeedia

Kvantbitt (inglise keeles quantum bit, lühendatult qubit) on kvantinformatsiooni ühik, biti vaste kvantmehaanikas ning põhi informatsiooniühik kvantarvutites. Erinevalt ühest bitist, mis rangelt esindab korraga ainult ühte väärtust kahest võimalikust väärtusest (0 või 1), on kvantbiti võimalikeks väärtusteks 0, 1 või superpositsioon neist mõlemast.

Teoreetiline tähendus[muuda | redigeeri lähteteksti]

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[muuda | redigeeri lähteteksti]

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.[1]

Füüsiline kujutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 ristmik 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[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 \,


Niimoodi 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 \, [2]


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[muuda | redigeeri lähteteksti]

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.[3]

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[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 lärmakad ning kõrge veaohuga, kuna D-Wave'i väljatöötatud ülesehitus on spetsiifiliselt mõeldud kvantlõõmutamiseks.[4]

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.[5]

NIST kvantsimulaatori põhiline komponent on väike ühe-tasapinnaline 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[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Lucian Dragne Geometrical representation of quantum bit operations // CU.P.B. Sci. Bull., Series C, Vol. 72, Iss. 3, 2010 ISSN 1454-234x [1]
  2. Amir Kamil Quantum Bits // CS70, Fall 2003 UC Berkeley Discussion #10 [2]
  3. Quantum Computing 101 [3]
  4. G. Rose, W. G. Macready An Introduction to Quantum Annealing [4]
  5. NIST Physicists Benchmark Quantum Simulator with Hunderds of Qubits [5]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]