ความแตกต่างระหว่าง qubit และสถานะควอนตัมคืออะไร?

โดยทั่วไปแล้ว qubit จะถูกแสดงทางคณิตศาสตร์เป็นสถานะควอนตัมของรูปแบบโดยใช้พื้นฐาน\} สำหรับฉันแล้ว qubit เป็นเพียงคำที่ใช้ในการคำนวณควอนตัมและข้อมูลเพื่อแสดงสถานะควอนตัม (เช่นเวกเตอร์) ของระบบ$\lvert \psi\rangle = \alpha \lvert 0\rangle + \beta \lvert 1\rangle$$\{ \lvert 0\rangle, \lvert 1\rangle \}$

มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่าง qubit และสถานะควอนตัมหรือไม่? ควิบิตมีอะไรมากกว่าสถานะควอนตัมที่แสดงถึง?

มีบางสิ่งที่แยกความแตกต่างได้ที่นี่ซึ่งมักจะมีการพูดคุยกันโดยผู้เชี่ยวชาญเนื่องจากเราใช้คำเหล่านี้อย่างรวดเร็วและไม่เป็นทางการในการถ่ายทอดสัญชาตญาณมากกว่าวิธีที่จะโปร่งใสสำหรับผู้เริ่มต้น

1. "qubit" สามารถอ้างถึงระบบขนาดเล็กซึ่งมีสถานะเชิงกลควอนตัม

   สถานะของระบบกลไกควอนตัมก่อให้เกิดพื้นที่เวกเตอร์ รัฐเหล่านี้ส่วนใหญ่สามารถแยกความแตกต่างจากกันเท่านั้นอย่างไม่สมบูรณ์ในที่มีโอกาสผิดพลาดรัฐหนึ่งสำหรับอื่น ๆ ไม่ว่าคุณพยายามแยกแยะพวกเขาอย่างชาญฉลาด จากนั้นหนึ่งอาจถามคำถามของชุดของรัฐไม่ว่าพวกเขาจะมีความแตกต่างอย่างสมบูรณ์จากกันและกัน

   "qubit" เป็นตัวอย่างของระบบกลไกควอนตัมซึ่งรัฐที่แยกแยะได้อย่างสมบูรณ์ที่สุดคือสอง (มีชุดของสถานะที่แตกต่างได้อย่างสมบูรณ์แบบหลายชุด แต่แต่ละชุดดังกล่าวมีเพียงสององค์ประกอบ) สิ่งเหล่านี้อาจเป็น

   • โพลาไรเซชันของโฟตอน ($\lvert \mathrm H \rangle$ กับ $\lvert \mathrm V \rangle$หรือเมื่อเทียบกับ );$\lvert \circlearrowleft \rangle$$\lvert \circlearrowright \rangle$

   • หรือหมุนของอิเล็กตรอน (เมื่อเทียบกับหรือกับ );$\lvert \uparrow \rangle$$\lvert \downarrow \rangle$$\lvert \rightarrow \rangle$$\lvert \leftarrow \rangle$

   • หรือสองระดับพลังงานและของอิเล็กตรอนในไอออนซึ่งอาจครอบครองระดับพลังงานที่แตกต่างกันมากมาย แต่ซึ่งถูกควบคุมในลักษณะที่อิเล็กตรอนอยู่ในพื้นที่ย่อยที่กำหนดโดยระดับพลังงานเหล่านี้ เมื่อมันไม่ได้ถูกดำเนินการ$\lvert E_1 \rangle$$\lvert E_2 \rangle$
     
     

   ร่วมกับระบบเหล่านี้คือเราสามารถอธิบายสถานะของพวกเขาในแง่ของสองรัฐซึ่งเราอาจระบุว่าและและพิจารณาสถานะอื่นของระบบ (ซึ่งเป็นเวกเตอร์ในพื้นที่เวกเตอร์ ถูกขยายโดยและ ) โดยใช้ชุดค่าผสมเชิงเส้นที่ใช้รูปแบบโดยที่1$\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\lvert 0 \rangle$$\lvert 1 \rangle$$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \alpha \rvert^2 + \lvert \beta \rvert^2 = 1$

2. "qubit" สามารถอ้างถึงสถานะเชิงกลเชิงควอนตัมของระบบทางกายภาพของประเภทที่เราอธิบายไว้ข้างต้น นั่นคือเราอาจเรียกบางสถานะของรูปแบบ "a qubit" ในกรณีนี้เราไม่ได้พิจารณาว่าระบบกายภาพกำลังเก็บสถานะอะไรอยู่ เราสนใจในรูปแบบของรัฐเท่านั้น$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$

3. "เป็นคิวบิต" ยังสามารถดูปริมาณของข้อมูลซึ่งเทียบเท่ากับรัฐเช่น\ ตัวอย่างเช่นถ้าเรารู้ว่ามีสองสถานะและของระบบควอนตัมที่ซับซ้อนบางส่วนและเรามีระบบทางกายภาพบางส่วนที่มีสถานะอยู่ในการทับซ้อนจากนั้นมันไม่สำคัญว่าระบบจะซับซ้อนเพียงใดหรือว่าสถานะใดมีการพัวพันใด ๆ : ปริมาณข้อมูลที่แสดงโดยค่าที่เป็นไปได้ของ$\alpha \lvert 0 \rangle + \beta \lvert 1 \rangle$$\lvert \psi_0 \rangle$$\lvert \psi_1 \rangle$$\lvert \Psi \rangle$$\alpha \lvert \psi_0 \rangle + \beta \lvert \psi_1 \rangle$$\lvert \psi_j \rangle$$\lvert \Psi \rangle$เป็นหนึ่งใน qubit เพราะด้วยกระบวนการที่ไม่มีเสียงรบกวนที่ฉลาดพอคุณสามารถย้อนกลับได้เข้ารหัสสถานะควอนตัมที่ซับซ้อนเข้าสู่สถานะของ qubit (ระบบทางกายภาพ) ในทำนองเดียวกันคุณสามารถมีระบบควอนตัมขนาดใหญ่มากซึ่งเข้ารหัส qubits ของข้อมูลหากคุณสามารถย้อนกลับเข้ารหัสสถานะของระบบที่ซับซ้อนนั้นกลับเป็นสถานะของ qubits$n$$n$

นี่อาจดูสับสน แต่ก็ไม่ต่างจากสิ่งที่เราทำตลอดเวลาด้วยการคำนวณแบบดั้งเดิม

• หากในภาษา C เหมือนฉันเขียนint x = 5;คุณอาจเข้าใจว่าxเป็นจำนวนเต็ม ( ตัวแปรจำนวนเต็มนั่นคือ) ซึ่งเก็บจำนวนเต็ม5( ค่าจำนวนเต็ม)

• ถ้าฉันเขียนx = 7;ฉันไม่ได้หมายความว่าxเป็นจำนวนเต็มซึ่งเท่ากับทั้งสอง5และ7แต่นั่นxเป็นที่เก็บของแปลก ๆ และสิ่งที่เรากำลังทำอยู่คือเปลี่ยนสิ่งที่มันบรรจุอยู่

และอื่น ๆ - วิธีการเหล่านี้ที่เราใช้คำว่า 'qubit' นั้นเหมือนกับวิธีที่เราใช้คำว่า 'bit' เท่านั้นมันเกิดขึ้นเมื่อเราใช้คำศัพท์สำหรับสถานะควอนตัมแทนค่าและทางกายภาพขนาดเล็ก ระบบมากกว่าตัวแปรหรือการลงทะเบียน (หรือมากกว่า: สถานะควอนตัมคือค่าในการคำนวณควอนตัมและระบบทางกายภาพขนาดเล็กเป็นตัวแปร / รีจิสเตอร์)