qubit คืออะไร?

"qubit" คืออะไร? Google บอกฉันว่าเป็นอีกคำหนึ่งสำหรับ "ควอนตัมบิต" เป็น "บิตควอนตัม" คืออะไรร่างกาย ? "ควอนตัม" เป็นอย่างไร? มันมีจุดประสงค์อะไรในการคำนวณควอนตัม?

หมายเหตุ:ฉันต้องการคำอธิบายที่คนธรรมดาเข้าใจง่าย ควรอธิบายคำศัพท์เฉพาะสำหรับการคำนวณควอนตัมในแง่ที่ค่อนข้างง่าย

นี่เป็นคำถามที่ดีและในมุมมองของฉันได้ที่หัวใจของ qubit เช่นเดียวกับความคิดเห็นโดย@Blueไม่ใช่ว่ามันจะเป็นการทับซ้อนเท่านี้เพราะมันเหมือนกับการแจกแจงความน่าจะเป็นแบบคลาสสิก มันคือว่ามันสามารถมีสัญญาณเชิงลบ

นำตัวอย่างนี้ ลองนึกภาพคุณมีสถานะอยู่ในสถานะและแสดงเป็นเวกเตอร์[ 1 0 ]จากนั้นคุณใช้การพลิกเหรียญซึ่งสามารถแทนด้วยเมทริกซ์สุ่ม[ 0.5 0.5 0.5 0.5 ]สิ่งนี้จะทำให้ส่วนผสมคลาสสิก[ 0.5 0.5 ] . ถ้าคุณใช้นี้สองครั้งก็จะยังคงเป็นส่วนผสมคลาสสิก[ 0.5 0.5 ]$0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 & 0.5 \\0.5 & 0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$$\begin{bmatrix}0.5 \\0.5 \end{bmatrix}$

ตอนนี้ให้ไปที่กรณีที่ควอนตัมและเริ่มต้นด้วยคิวบิตในส่วนรัฐอีกครั้งซึ่งเป็นตัวแทนจาก[ 1 0 ] ในควอนตัมการดำเนินงานโดยมีตัวแทนเมทริกซ์รวมซึ่งมีคุณสมบัติU † U =ฉัน การรวมกันที่ง่ายที่สุดเพื่อแสดงการกระทำของการพลิกเหรียญควอนตัมคือเมทริกซ์ Hadamard [ $0$$\begin{bmatrix}1 \\0 \end{bmatrix}$$U^\dagger U = I$โดยที่คอลัมน์แรกถูกกำหนดเพื่อให้หลังจากการดำเนินการหนึ่งครั้งจะทำให้สถานะ| +⟩=[$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & \sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} & -\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$จากนั้นคอลัมน์ที่สองจะต้อง[$|+\rangle =\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$ที่ไหน| a| 2=1/2,| b| 2=1/2และข*=-1/2 วิธีการแก้ปัญหานี้คือ=$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} & a \\\sqrt{0.5} & b \end{bmatrix}$$|a|^2 = 1/2$$|b|^2 = 1/2$$ab^* = -1/2$และข=$a =\sqrt(0.5)$$b=-a$

ตอนนี้ให้ทำการทดลองเดียวกัน การใช้ครั้งเดียวจะให้ และถ้าเราวัด (ในพื้นฐานมาตรฐาน) เราจะได้รับครึ่งเวลา 0 และอื่น ๆ 1 (การเรียกคืนในควอนตัมกฎเกิดเป็น P(ฉัน)=|⟨ฉัน|ψ⟩|2และทำไมเราต้องทุกตาราง ราก). ดังนั้นจึงเป็นเช่นด้านบนและมีผลแบบสุ่ม$\begin{bmatrix}\sqrt{0.5} \\\sqrt{0.5} \end{bmatrix}$$P(i) = |\langle i|\psi\rangle|^2$

ให้ใช้มันสองครั้ง ตอนนี้เราจะได้รับ ] เครื่องหมายลบจะยกเลิกความน่าจะเป็นในการสังเกตผลลัพธ์ 1 รายการและนักฟิสิกส์ที่เราอ้างถึงว่าเป็นการแทรกแซง มันคือจำนวนลบเหล่านี้ที่เราได้มาในสถานะควอนตัมซึ่งไม่สามารถอธิบายได้โดยทฤษฎีความน่าจะเป็นที่เวกเตอร์ต้องอยู่ในเชิงบวกและเป็นจริง$\begin{bmatrix} 0.5+0.5 \\0.5-0.5\end{bmatrix}$

การขยายไปถึง n qubits ให้ทฤษฎีที่มีเลขชี้กำลังซึ่งเราไม่สามารถหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการจำลอง

นี่ไม่ใช่แค่มุมมองของฉัน ฉันเคยเห็นมันแสดงให้เห็นในการเจรจาโดย Scott Aaronson และฉันคิดว่าวิธีที่ดีที่สุดที่จะบอกว่าควอนตัมเป็นเหมือน "ทฤษฎีความน่าจะเป็นที่มีเครื่องหมายลบ" (นี่เป็นคำพูดของ Scott)

ฉันกำลังแนบสไลด์ที่ฉันต้องการให้อธิบายควอนตัม (ถ้ามันไม่ใช่มาตรฐานที่จะมีสไลด์ในคำตอบฉันยินดีที่จะเขียนคณิตศาสตร์เพื่อข้ามแนวคิด)

ฉันอาจจะขยายเพิ่มเติม (!) และเพิ่มรูปภาพและลิงก์ตามที่มีเวลา แต่นี่เป็นช็อตแรกของฉันที่นี่

คำอธิบายที่ปราศจากคณิตศาสตร์เป็นส่วนใหญ่

เหรียญพิเศษ

เรามาเริ่มจากการคิดถึงบิตธรรมดา ลองจินตนาการว่าบิตปกตินี้เป็นเหรียญที่เราสามารถพลิกเป็นหัวหรือก้อยได้ เราจะเรียกหัวที่เทียบเท่ากับ "1" และก้อย "0" ตอนนี้ลองนึกภาพแทนที่จะหมุนเหรียญเราสามารถหมุนได้ - 45${}^\circ$$^\circ$$^\circ$

แต่สิ่งที่จับได้? ไม่มีสิ่งใดเป็นอาหารกลางวันฟรีตามที่พูดไป เมื่อฉันดูเหรียญเพื่อดูว่ามันอยู่ในสถานะใดมันจะกลายเป็นหัวหรือก้อยตามความน่าจะเป็น - วิธีที่ดีที่จะดูว่ามันอยู่ใกล้กับศีรษะมากขึ้นหรือไม่ และในทางกลับกันแม้ว่าจะมีโอกาสเหรียญใกล้จะกลายเป็นหางเมื่อมองไปที่

นอกจากนี้เมื่อฉันดูเหรียญพิเศษนี้ข้อมูลใด ๆ ที่อยู่ในนั้นก่อนจะไม่สามารถเข้าถึงได้อีก ถ้าฉันมองเหรียญเชคสเปียร์ฉันแค่เอาหัวหรือก้อยและเมื่อฉันมองออกไปมันก็ยังคงเป็นสิ่งที่ฉันเห็นเมื่อฉันมองมัน - มันไม่ได้เปลี่ยนเป็นเหรียญเชคสเปียร์อย่างน่าอัศจรรย์ ฉันควรทราบไว้ที่นี่ว่าคุณอาจคิดว่า Blue แสดงความคิดเห็นออกมา

ด้วยความก้าวหน้าอันยิ่งใหญ่ของเทคโนโลยียุคใหม่ไม่มีอะไรหยุดยั้งฉันจากการตรวจสอบการวางแนวที่แน่นอนของเหรียญที่โยนลงไปในอากาศขณะที่มันตกลงมา ฉันไม่จำเป็นต้อง "มองเข้าไป" นั่นคือหยุดและตรวจสอบว่ามันตกลงมาเป็น "หัว" หรือ "ก้อย"

"การตรวจสอบ" นี้นับเป็นการวัด ไม่มีวิธีที่จะดูสถานะของเหรียญนี้ ไม่มีเลย, nada, zilch มันแตกต่างจากเหรียญทั่วไปใช่ไหม

ดังนั้นการเข้ารหัสผลงานทั้งหมดของเช็คสเปียร์ในเหรียญของเรานั้นเป็นไปได้ในทางทฤษฎี แต่เราไม่สามารถเข้าถึงข้อมูลนั้นได้อย่างแท้จริงดังนั้นจึงไม่มีประโยชน์มากนัก

มีความอยากรู้ทางคณิตศาสตร์ที่ดีเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่เราได้มาถึงที่นี่ แต่เราจะทำอะไรกับสิ่งนี้ได้จริง ๆ ?

ปัญหาเกี่ยวกับกลศาสตร์คลาสสิก

ทีนี้ลองย้อนกลับไปหนึ่งนาทีที่นี่แล้วเปลี่ยนไปใช้วิธีอื่น ถ้าฉันโยนลูกบอลให้คุณและคุณจับมันเราสามารถจำลองการเคลื่อนที่ของลูกบอลนั้นได้อย่างแน่นอน (กำหนดพารามิเตอร์ทั้งหมด) เราสามารถวิเคราะห์วิถีของมันด้วยกฎของนิวตันคำนวณการเคลื่อนที่ผ่านอากาศโดยใช้กลศาสตร์ของไหล ( ยกเว้นในกรณีที่มีความวุ่นวาย ) และอื่น ๆ

งั้นเรามาตั้งค่าการทดลองกันหน่อย ฉันมีกำแพงที่มีสองกรีดอยู่ในนั้นและอีกกำแพงหนึ่งอยู่ด้านหลังกำแพงนั้น ฉันตั้งค่าหนึ่งในสิ่งที่นักโยนลูกเทนนิสอยู่ข้างหน้าและปล่อยให้มันเริ่มโยนลูกเทนนิส ในระหว่างนี้ฉันอยู่ที่กำแพงด้านหลังซึ่งลูกเทนนิสของเราทั้งหมดจบลง เมื่อฉันทำเครื่องหมายนี้มี "humps" ชัดเจนในข้อมูลด้านหลังทั้งสองช่องตามที่คุณอาจคาดหวัง

ตอนนี้ฉันเปลี่ยนนักโยนลูกเทนนิสของเราเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดอนุภาคเล็ก ๆ บางทีฉันมีเลเซอร์และเรากำลังมองหาที่โฟตอนที่มองหา บางทีฉันอาจมีปืนอิเล็กตรอน ไม่ว่าเราจะมองว่าอนุภาคอะตอมย่อยเหล่านี้จะจบลงอีกครั้ง ในครั้งนี้เราไม่ได้รับเสียงตอบรับสองเสียงเรามีรูปแบบการรบกวน

คุณคุ้นเคยกับทุกสิ่งหรือเปล่า? ลองนึกภาพคุณทิ้งก้อนกรวดสองก้อนลงในสระน้ำที่อยู่ติดกัน ดูคุ้นเคยไหม ระลอกคลื่นในสระน้ำรบกวนซึ่งกันและกัน มีจุดที่พวกเขายกเลิกและจุดที่พวกเขาบวมใหญ่ทำรูปแบบที่สวยงาม ตอนนี้เราได้เห็นรูปแบบการรบกวนการยิงอนุภาค อนุภาคเหล่านี้จะต้องมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น ดังนั้นบางทีเราผิดตลอด (นี่เรียกว่าการทดลองผ่าสองครั้ง ) ขออภัยอิเล็กตรอนเป็นคลื่นไม่ใช่อนุภาค

ยกเว้น ... พวกมันก็เป็นอนุภาคด้วย เมื่อคุณดูที่รังสีแคโทด (ลำธารของอิเล็กตรอนในหลอดสุญญากาศ) พฤติกรรมที่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค ในการอ้างถึงวิกิพีเดีย:

เช่นเดียวกับคลื่นรังสีแคโทดจะเดินทางเป็นเส้นตรงและสร้างเงาเมื่อวัตถุถูกบดบัง เออร์เนสต์รัทเธอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นว่ารังสีสามารถผ่านทะลุโลหะบาง ๆ พฤติกรรมที่คาดว่าจะเกิดจากอนุภาค คุณสมบัติที่ขัดแย้งกันเหล่านี้ทำให้เกิดการหยุดชะงักเมื่อพยายามจำแนกเป็นคลื่นหรืออนุภาค [... ] การอภิปรายได้รับการแก้ไขเมื่อสนามไฟฟ้าถูกใช้เพื่อเบี่ยงเบนรังสีโดย JJ Thomson นี่เป็นหลักฐานว่าคานประกอบด้วยอนุภาคเพราะนักวิทยาศาสตร์รู้ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะเบี่ยงเบนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยสนามไฟฟ้า

ดังนั้น ... พวกเขากำลังทั้งสอง หรือมากกว่านั้นมันเป็นสิ่งที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง นั่นเป็นหนึ่งในหลาย ๆ ปริศนาที่นักฟิสิกส์มองเห็นเมื่อต้นศตวรรษที่ยี่สิบ ถ้าคุณต้องการที่จะดูคนอื่น ๆ ดูที่การแผ่รังสีความมืดหรือเอฟเฟกต์แสง

สิ่งที่แก้ไขปัญหา - กลศาสตร์ควอนตัม

ปัญหาเหล ดังนั้นจึงมีการพัฒนากฎหมายใหม่ขึ้นมา กฎเหล่านี้เรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัมหลังจากหนึ่งในแนวคิดสำคัญที่อยู่เบื้องหลังพวกเขา - การดำรงอยู่ของกลุ่มพลังงานพื้นฐานเรียกว่าควอนตั้ม

แนวคิดก็คือฉันไม่สามารถให้คุณ .00000000000000000000000000 บวกกับศูนย์อีก 1 พลังงานมากกว่า 1 จูล - มีพลังงานน้อยที่สุดเท่าที่ฉันจะให้ได้ มันเหมือนกับว่าในระบบสกุลเงินฉันสามารถให้คุณดอลล่าร์หรือเพนนีได้ แต่ (ในเงินอเมริกันต่อไป) ฉันไม่สามารถให้คุณ "ครึ่งเพนนี" ได้ ไม่มีอยู่จริง พลังงาน (และค่าอื่น ๆ ) อาจเป็นเช่นนั้นได้ในบางสถานการณ์ (ไม่ใช่ทุกสถานการณ์และสิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในกลศาสตร์คลาสสิกในบางครั้ง - ดูที่นี่ด้วยขอบคุณ Blue ที่ชี้ให้เห็น)

ดังนั้นเราได้รับกฎชุดใหม่กลศาสตร์ควอนตัม และการพัฒนากฎหมายเหล่านั้นก็สมบูรณ์แม้ว่าจะไม่ถูกต้องสมบูรณ์ (ดูทฤษฎีสนามควอนตัม, แรงโน้มถ่วงควอนตัม) แต่ประวัติศาสตร์ของการพัฒนาของพวกเขานั้นน่าสนใจ มีผู้ชายคนนี้ชเรอดิงเงอร์มีชื่อเสียงในการฆ่าแมว ( อาจ? ) ที่มาพร้อมกับสูตรสมการคลื่นของกลศาสตร์ควอนตัม นักฟิสิกส์จำนวนมากชอบสิ่งนี้เพราะมันคล้ายกับวิธีการคำนวณแบบดั้งเดิม - อินทิกรัลและแฮมมิเนียนเป็นต้น

ชายอีกคนหนึ่งไฮเซนเบิร์กมาพร้อมกับวิธีการคำนวณสถานะควอนตัมเชิงกลแบบต่างๆที่เรียกว่ากลศาสตร์เมทริกซ์ ยังมีอีกคนหนึ่งที่ชื่อไดแรคพิสูจน์ว่าสูตรเมทริกซ์เชิงกลและสมการคลื่นมีค่าเท่ากัน

ตอนนี้เราต้องสลับแทคอีกครั้ง - เมทริกซ์คืออะไรและเวกเตอร์เพื่อนของพวกเขาคืออะไร?

เวกเตอร์และเมทริกซ์ - หรือบางคนหวังว่าพีชคณิตเชิงเส้นที่ไม่เจ็บปวด

$^2$

เรามีเวกเตอร์พวกนี้ ฉันสามารถทำอะไรกับคณิตศาสตร์ได้บ้าง ฉันจะจัดการกับเวกเตอร์ได้อย่างไร ฉันสามารถคูณเวกเตอร์ด้วยจำนวนปกติเช่น 3 หรือ 2 (พวกนี้เรียกว่าสเกลาร์) เพื่อยืดมันหดมัน (ถ้าเป็นเศษส่วน) หรือพลิกมัน (ถ้าลบ) ฉันสามารถเพิ่มหรือลบเวกเตอร์ได้ง่าย - ถ้าฉันมีเวกเตอร์ (2, 3) + (4, 2) นั่นเท่ากับ (6, 5) นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่าจุดและผลิตภัณฑ์ข้ามว่าเราจะไม่ได้เป็นที่นี่ - ถ้ามีความสนใจในใด ๆ นี้มองขึ้น3blue1brown ชุดพีชคณิตเชิงเส้นซึ่งสามารถเข้าถึงได้มากจริงจะสอนวิธีการทำมันและเป็นวิธีที่เหลือเชื่อ เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งนี้

$\hat{i}$$\hat{j}$$\sqrt{-1} = i$

จากนั้นเราจะเห็นว่า i-hat และ j-hat อยู่ที่ไหนในระบบพิกัดใหม่ของเรา ในคอลัมน์แรกของเมทริกซ์ของเราเราเขียนพิกัดใหม่ของ i-hat และในคอลัมน์ที่สองคือพิกัดใหม่ของ j-hat ตอนนี้เราสามารถคูณเมทริกซ์นี้ด้วยเวกเตอร์ใดก็ได้และหาเวกเตอร์นั้นในระบบพิกัดใหม่ เหตุผลที่ทำให้งานนี้เกิดขึ้นเนื่องจากคุณสามารถเขียนเวกเตอร์ใหม่ได้เนื่องจากสิ่งที่เรียกว่าชุดค่าผสมเชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าเราสามารถเขียนใหม่บอกว่า (2, 3) เป็น 2 * (1, 0) + 3 * (0, 1) - นั่นคือ 2 * i-hat + 3 * j-hat เมื่อเราใช้เมทริกซ์เราจะทำการคูณสเกลาร์เหล่านั้นใหม่อย่างมีประสิทธิภาพด้วย "ใหม่" i-hat และ j-hat อีกครั้งหากสนใจดูวิดีโอของ 3blue1brown เมทริกซ์เหล่านี้ถูกใช้อย่างมากในหลาย ๆ สาขา แต่นี่เป็นที่มาของชื่อเมทริกซ์

ผูกมันทั้งหมดเข้าด้วยกัน

ตอนนี้เมทริกซ์สามารถเป็นตัวแทนการหมุนของพิกัดพิกัดหรือยืดหรือหดตัวระนาบพิกัดหรือสิ่งอื่น ๆ แต่พฤติกรรมบางอย่าง ... ฟังดูคุ้น ๆ ใช่มั้ย เหรียญพิเศษเล็ก ๆ ของเราฟังดูเหมือนมัน เรามีแนวคิดการหมุนเวียนนี้ ถ้าเราเป็นตัวแทนรัฐแนวนอนโดย i-hat และแนวตั้งโดย j-hat และอธิบายว่าการหมุนของเหรียญของเราใช้การผสมแบบเส้นตรงอย่างไร ใช้งานได้และทำให้ระบบของเราง่ายต่อการอธิบาย ดังนั้นเหรียญเล็ก ๆ ของเราสามารถอธิบายได้โดยใช้พีชคณิตเชิงเส้น

มีอะไรอีกบ้างที่สามารถอธิบายพีชคณิตเชิงเส้นและมีความน่าจะเป็นและการวัดแปลก ๆ กลศาสตร์ควอนตัม (โดยเฉพาะอย่างยิ่งความคิดของการรวมกันเชิงเส้นนี้กลายเป็นความคิดที่เรียกว่าการทับซ้อนซึ่งเป็นที่ที่ความคิดทั้งหมดมีความแตกต่างกันมากจนถึงจุดที่มันไม่ถูกต้องจริง ๆ เป็นวัตถุเชิงกลควอนตัม อะไรคือวัตถุเชิงกลของควอนตัม

• โฟตอน
• ตัวนำยิ่งยวด
• สถานะพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม

อะไรก็ตามที่มีพฤติกรรมแบบไม่ต่อเนื่องพลังงาน (ควอนตัม) แต่ก็สามารถทำตัวเหมือนคลื่นได้ - พวกมันสามารถรบกวนซึ่งกันและกันและอื่น ๆ ได้

ดังนั้นเราจึงมีเหรียญเชิงกลพิเศษควอนตัมเหล่านี้ เราควรเรียกพวกเขาว่าอะไร? พวกเขาเก็บสถานะข้อมูลเหมือนบิต ... แต่พวกมันคือควอนตัม พวกมันเป็นบิต และตอนนี้เราจะทำอย่างไร เราจัดการข้อมูลที่เก็บไว้ในนั้นด้วยเมทริกซ์ (อะแฮ่มประตู) เราวัดผลเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ ในระยะสั้นเราคำนวณ

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าเราไม่สามารถเข้ารหัสข้อมูลจำนวนไม่ จำกัด ในควิบิตและยังเข้าถึงได้ (ดูหมายเหตุใน "เหรียญเชคสเปียร์") ดังนั้นประโยชน์ของควิบิตคืออะไร? มันมาในความจริงที่ว่าบิตของข้อมูลพิเศษเหล่านั้นสามารถส่งผลกระทบต่อ qubits อื่น ๆ ทั้งหมด (มันเป็นความคิดซ้อนทับ / การผสมผสานเชิงเส้นอีกครั้ง) ซึ่งมีผลต่อความน่าจะเป็นซึ่งจะส่งผลต่อคำตอบของคุณ - แต่มันยากมาก เป็นอัลกอริทึมควอนตัมน้อยมาก

เหรียญพิเศษเมื่อเทียบกับเหรียญปกติ - หรืออะไรที่ทำให้ qubit แตกต่างกัน

ดังนั้น ... เรามีควิบิตนี้ แต่สีฟ้านำมาซึ่งจุดที่ยอดเยี่ยม

$\frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle$

มีความแตกต่างหลายประการ - วิธีที่การวัดใช้งานได้ (ดูย่อหน้าที่สี่) แนวคิดซ้อนทับทั้งหมด - แต่ความแตกต่างที่นิยาม (Mithrandir24601 ชี้ให้เห็นสิ่งนี้ในการแชทและฉันเห็นด้วย) เป็นการละเมิดความไม่เท่าเทียมของเบลล์

มาลองเปลี่ยนอีก ย้อนกลับไปเมื่อกลศาสตร์ควอนตัมได้รับการพัฒนามีการโต้วาทีครั้งใหญ่ มันเริ่มต้นระหว่าง Einstein และ Bohr เมื่อทฤษฎีคลื่นของ Schrodinger ได้รับการพัฒนาเป็นที่ชัดเจนว่ากลศาสตร์ควอนตัมจะเป็นทฤษฎีความน่าจะเป็น บอร์ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับมุมมองความน่าจะเป็นซึ่งเขาสรุปว่า

ที่นี่ปัญหาทั้งหมดของการกำหนดระดับขึ้นมา จากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมของเราไม่มีปริมาณซึ่งในแต่ละกรณีจะแก้ไขสาเหตุที่เป็นผลมาจากการชนกัน แต่เรายังไม่มีการทดลองด้วยเหตุผลที่เชื่อว่ามีคุณสมบัติภายในของอะตอมซึ่งเงื่อนไขผลลัพธ์ที่แน่นอนสำหรับการชนกัน เราควรหวังว่าจะได้ค้นพบคุณสมบัติดังกล่าวในภายหลัง ... และกำหนดในแต่ละกรณี? หรือเราควรจะเชื่อว่าข้อตกลงของทฤษฎีและการทดสอบ - เป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดเงื่อนไขสำหรับวิวัฒนาการเชิงสาเหตุ - เป็นความสามัคคีที่จัดตั้งขึ้นก่อนก่อตั้งขึ้นบนความไม่มีตัวตนของเงื่อนไขดังกล่าว? ตัวฉันเองมีแนวโน้มที่จะยอมแพ้ในโลกแห่งอะตอม แต่นั่นเป็นคำถามเชิงปรัชญาที่การขัดแย้งทางกายภาพเพียงอย่างเดียวไม่ได้ชี้ขาด

แนวความคิดเรื่องชะตานิยมได้เกิดขึ้นมาระยะหนึ่งแล้ว บางทีคำพูดที่โด่งดังของเรื่องนี้อาจมาจาก Laplace ผู้กล่าว

สติปัญญาซึ่ง ณ เวลาใดเวลาหนึ่งจะรู้พลังทั้งหมดที่ทำให้ธรรมชาติเคลื่อนไหวและตำแหน่งทั้งหมดของทุกสิ่งที่ประกอบไปด้วยธรรมชาติถ้าสติปัญญานี้ยังกว้างพอที่จะส่งข้อมูลเหล่านี้ไปยังการวิเคราะห์มันจะรวมอยู่ในสูตรเดียว การเคลื่อนไหวของร่างกายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของจักรวาลและอะตอมที่เล็กที่สุด สำหรับสิ่งที่ไม่มีสติปัญญาเช่นนี้จะไม่แน่นอนและอนาคตเช่นเดียวกับอดีตจะปรากฏต่อหน้าต่อตา

ความคิดเรื่องการกำหนดระดับคือถ้าคุณรู้ว่าทั้งหมดมีความรู้เกี่ยวกับสถานะปัจจุบันและใช้กฎทางกายภาพที่เรามีอยู่คุณสามารถค้นหาอนาคตได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามกลศาสตร์ควอนตัมจะทำลายความคิดนี้ด้วยความน่าจะเป็น "ฉันมีแนวโน้มที่จะยอมแพ้ในโลกแห่งอะตอม" นี่เป็นเรื่องใหญ่!

การตอบสนองที่มีชื่อเสียงของ Albert Einstein:

กลศาสตร์ควอนตัมถือว่ามีค่าอย่างยิ่ง แต่เสียงด้านในบอกฉันว่านี่ยังไม่ใช่เส้นทางที่ถูกต้อง ทฤษฎีให้ผลตอบแทนมาก แต่แทบจะไม่นำเราเข้าใกล้ความลับของ Old One ไม่ว่าในกรณีใดผมเชื่อว่าพระองค์ไม่ได้เล่นลูกเต๋า

(เห็นได้ชัดว่าคำตอบของบอร์ "หยุดบอกพระเจ้าว่าต้องทำอย่างไร" แต่อย่างไรก็ตาม)

ในขณะที่มีการอภิปราย ทฤษฎีตัวแปรซ่อนเร้นขึ้นมาซึ่งไม่ได้เป็นเพียงความน่าจะเป็น - มีวิธีที่อนุภาค "รู้" ว่ามันจะเป็นอย่างไรเมื่อทำการวัด มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับโอกาสทั้งหมด จากนั้นมีความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ เพื่ออ้างถึง Wikipedia

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดทฤษฎีบทของเบลล์กล่าว

ไม่มีทฤษฎีทางกายภาพของตัวแปรซ่อนเร้นในท้องถิ่นที่สามารถจำลองการทำนายของกลศาสตร์ควอนตัมได้ทั้งหมด

และมันก็เป็นวิธีในการตรวจสอบสิ่งนี้ เป็นจริง - เป็นความน่าจะเป็นที่แท้จริง นี่ไม่ใช่พฤติกรรมดั้งเดิม เป็นโอกาสโอกาสที่มีผลต่อโอกาสอื่น ๆ ผ่านการทับซ้อนแล้ว "ยุบ" เป็นสถานะเดียวเมื่อทำการวัด (ถ้าคุณทำตามการตีความที่โคเปนเฮเกน) ดังนั้นเพื่อสรุป: ประการแรกการวัดมีความแตกต่างอย่างมากในกลศาสตร์ควอนตัมและประการที่สองกลศาสตร์ควอนตัมนั้นไม่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้า จุดทั้งสองนี้หมายความว่าระบบควอนตัมใด ๆ รวมถึง qubit จะแตกต่างจากระบบคลาสสิก

ข้อจำกัดความรับผิดชอบเล็ก ๆ

เมื่อ xkcd ชี้ให้เห็นอย่างชาญฉลาดการเปรียบเทียบใด ๆ เป็นการประมาณ คำตอบนี้ไม่เป็นทางการเลยและยังมีอีกมากสำหรับสิ่งนี้ ฉันหวังว่าจะเพิ่มคำตอบนี้ด้วยคำอธิบายที่เป็นทางการมากกว่าเล็กน้อย (แม้ว่าจะยังไม่เป็นทางการ) แต่โปรดระลึกไว้เสมอ

ทรัพยากร

• Nielsen และ Chuang คอมพิวเตอร์ควอนตัมและข้อมูลควอนตัม พระคัมภีร์ของการคำนวณควอนตัม

• 3blue1brown ของพีชคณิตเชิงเส้นและหลักสูตรแคลคูลัสนั้นยอดเยี่ยมสำหรับคณิตศาสตร์

• Michael Nielsen (ใช่คนที่แต่งหนังสือข้างต้น) มีซีรี่ส์วิดีโอที่เรียกว่า Quantum Computing สำหรับผู้มุ่งมั่น 10/10 จะแนะนำ

• การเล่นโวหารเป็นตัวจำลองที่ยอดเยี่ยมของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่คุณสามารถเล่นกับมันได้

• ฉันเขียนโพสต์บล็อกบางส่วนในหัวข้อนี้สักครู่ (ถ้าคุณไม่รังเกียจที่จะอ่านงานเขียนของฉันซึ่งไม่ค่อยดีนัก) สามารถพบได้ที่นี่ซึ่งพยายามเริ่มจากพื้นฐานและทำงานต่อไป

01$|0\rangle$$|1\rangle$

$\alpha$$\beta$$|\psi_0 \rangle$

$Z$010$\alpha^2$1$\alpha^2$$\alpha^2+\beta^2=1$

$\alpha |0\rangle + \beta |1\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$

$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|\psi_0\rangle$$|\psi_1\rangle$

$|0\rangle$$|1 \rangle$

$n$$2^n$$n$

แต่สำหรับวิธีการทำงานนั้นฉันจะต้องแนะนำคุณไปยังคำถามและคำตอบที่เหลือในการแลกเปลี่ยนกองซ้อนนี้

"ควอนตัมบิต" คืออะไร? "ควอนตัม" เป็นอย่างไร?

ก่อนอื่นให้ฉันยกตัวอย่างบิตคลาสสิก:

• ใน CPU: แรงดันต่ำ = 0, แรงดันสูง = 1
• ในฮาร์ดไดรฟ์: แม่เหล็กทิศเหนือ = 0, แม่เหล็กทิศใต้ = 1
• ในบาร์โค้ดบนบัตรห้องสมุดของคุณ: Thin bar = 0, Thick bar = 1
• ในดีวีดี: กรณีที่ไม่มีหลุมขนาดเล็กลึกบนดิสก์ = 0, การแสดงตน = 1

ในทุกกรณีคุณสามารถมีบางสิ่งในระหว่าง:

• หาก "แรงดันต่ำ" คือ 0 mV และ "แรงดันสูง" คือ 1 mV คุณสามารถมีแรงดันไฟฟ้าปานกลาง 0.5 mV
• คุณสามารถมีขั้วแม่เหล็กได้ทุกทิศทางเช่นทิศตะวันตกเฉียงเหนือ
• คุณสามารถมีบรรทัดในบาร์โค้ดที่มีความกว้างเท่าใดก็ได้
• คุณสามารถมีความลึกหลายระดับบนพื้นผิวดีวีดี

ในกลศาสตร์ควอนตัมสิ่งต่าง ๆ สามารถมีอยู่ใน "แพ็คเกจ" เรียกว่า "ควอนตั้ม" เท่านั้น เอกพจน์ของ "ควอนตั้ม" เป็น"ควอนตัม" นี่หมายถึงตัวอย่างบาร์โค้ดถ้าเส้นบางเป็นหนึ่ง "ควอนตัม" เส้นหนาอาจเป็นสองเท่าของเส้นบาง (สองควอนตั้ม) แต่ไม่สามารถหนา 1.5 เท่าของเส้นบางได้ หากคุณดูบัตรห้องสมุดของคุณคุณจะสังเกตเห็นว่าคุณสามารถวาดเส้นที่มีความหนา 1.5 เท่าของเส้นบาง ๆ ถ้าคุณต้องการซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมบาร์โค้ดบิตจึงไม่ qubits

มีบางสิ่งที่กฎของกลศาสตร์ควอนตัมไม่อนุญาตให้มีสิ่งใดระหว่าง 0 ถึง 1 ตัวอย่างบางส่วนอยู่ด้านล่าง:

• การหมุนของอิเล็กตรอน : มันขึ้น (0) หรือลง (1) แต่ไม่สามารถอยู่ระหว่าง
• ระดับพลังงานของอิเล็กตรอน: ระดับที่ 1 คือ 0, ระดับที่ 2 คือ 1 ไม่มีสิ่งเช่นระดับ 1.5

ฉันให้สองตัวอย่างของสิ่งที่ qubit สามารถทางร่างกาย: หมุนของอิเล็กตรอนหรือระดับพลังงานของอิเล็กตรอน

มันมีจุดประสงค์อะไรในการคำนวณควอนตัม?

$n$$2^n$

ควอบิต (ควอนตัมบิต) เป็นระบบควอนตัมที่สามารถอธิบายได้อย่างเต็มที่โดย ("ใช้ชีวิตใน") พื้นที่เวคเตอร์เชิงซ้อน 2 มิติ

$|0\rangle$$|1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$$|0\rangle$$|1\rangle$

ในการทำการคำนวณคุณจะต้องสามารถทำให้ชุดการดำเนินการ "สมบูรณ์" ที่ทำหน้าที่ในหนึ่งหรือสอง qubits เมื่อคุณไม่ได้กระตุ้นการดำเนินการ qubits ไม่ควรโต้ตอบซึ่งกันและกัน นอกจากการมีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมที่ถูกระงับ qubits จะโต้ตอบซึ่งกันและกัน

บิตคลาสสิกเป็นวิธีที่ง่ายกว่าควิบิต มันเป็นระบบที่สามารถอธิบายได้โดยตัวแปรบูลีน

สิ่งที่เราสังเกตในเทคโนโลยีควอนตัม (โฟตอนอะตอม ฯลฯ ) คือบิต (ทั้ง 0 หรือ 1)

ที่สำคัญไม่มีใครรู้ว่าควอนตัมบิตคืออะไร บางคนบอกว่าเป็นวัตถุที่ "ทั้ง" 0 และ 1; คนอื่นพูดว่ามันเกี่ยวกับสิ่งที่ต้องทำกับจักรวาลคู่ขนาน แต่นักฟิสิกส์ไม่รู้ว่ามันคืออะไรและเกิดขึ้นกับการตีความที่ไม่ได้รับการพิสูจน์

เหตุผลสำหรับ "ความสับสน" นี้เกิดจากสองปัจจัย:

(1) สามารถทำงานที่โดดเด่นสำเร็จซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยการคิดถึงเทคโนโลยีควอนตัมในแง่ของบิตปกติ ดังนั้นจะต้องมีองค์ประกอบพิเศษที่เกี่ยวข้องซึ่งเราระบุว่า "ควอนตัม" บิต แต่นี่คือส่วนสำคัญ: องค์ประกอบ "ควอนตัม" พิเศษนี้ไม่สามารถตรวจพบได้โดยตรง สิ่งที่เราสังเกตคือบิตปกติเมื่อเรา "มอง" ที่ระบบ

(2) วิธีหนึ่งในการ "ดู" สิ่ง "ควอนตัม" พิเศษนี้คือการใช้คณิตศาสตร์ ดังนั้นคำอธิบายที่ถูกต้องของ qubit นั้นเป็นเชิงคณิตศาสตร์และการแปลทุกครั้งนั้นเป็นการตีความที่ยังไม่ได้พิสูจน์

โดยสรุปไม่มีใครรู้ว่าบิตควอนตัมคืออะไร เรารู้ว่ามีอะไรมากกว่าบิตในเทคโนโลยีควอนตัมซึ่งเราระบุว่าเป็นบิต "ควอนตัม" และจนถึงตอนนี้คำอธิบายที่ถูกต้องเท่านั้น แต่ยังไม่พอใจคือคณิตศาสตร์

หวังว่าจะช่วย