Современная электроника №7/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 ного классического КБЛ. Существует третий вариант – попытаться смоде- лировать процесс падения монетки в лабораторных условиях, используя некий физический процесс. Пример- но такой принцип используется в кван- товом компьютере, в котором исполь- зуются свойства квантовых объектов для моделирования сходных по алго- ритму задач. В качестве физического воплощения кубитов в основном используются сле- дующие типы: ● сверхпроводящие кубиты с перехо- дом Джозефсона; ● кубиты с ионными ловушками; ● кубиты на основе нейтральных ато- мов; ● фотонные кубиты; ● кубиты с дефектами кристалличе- ской решетки; ● кубиты для вычислителей с ЯМР. Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от классической физики, в квантовой механике использует- ся понятие вектора состояния, под- разумевающее множество математи- ческих величин, которое полностью описывает квантовую систему в гиль- бертовом пространстве. В ряде случа- ев вместо термина «вектор состояния» употребляется его синоним – «ампли- туда состояния». В общем случае кубит можно трак- товать как вектор состояния двуху- ровневой системы в гильбертовом пространстве. Поскольку любой век- тор состояния может быть представ- лен как совокупность элементарных векторов, то кубит вводится как поня- тие минимально возможного вектор- ного состояния. В качестве наглядного представления кубита обычно исполь- зуют сферу Блоха (рис. 3) [34, 35]. На рис. 3 угол в плоскости XZ соот- ветствует амплитуде вектора, то есть вероятности события, а угол в плоско- сти XY определяет фазу вращения. Два крайних положения на вертикальной оси определяют два основных состоя- ния кубита. В случае комплексной пере- менной с мнимыми значения ±i, обра- зующими комплексную плоскость, возможные положения вектора кубита многократно увеличивают его возмож- ные положения. Три проекции вектора полностью определяют матрицу плот- ности кубита. В случае чистого состо- яния, при замкнутой системе, вектор, вращаясь в горизонтальной и верти- кальной плоскостях, описывает сферу единичного радиуса. Для чистого состо- яния (замкнутой системы) матрица плотности кубита может быть представ- лена точкой в нашем привычном трёх- мерном пространстве, то есть точкой на поверхности сферы Блоха (рис. 3). Как можно понять, таких точек на поверх- ности сферы бесконечное множество. В случае смешанного состояния длина вектора становится меньше единицы, и он будет вращаться внутри единич- ной сферы. Энергетическое состояние физиче- ской системы описывается оператором полной энергии – гамильтонианом H , в математическую формулу которо- го входят параметры, характеризую- щие потенциальную и кинетическую энергию системы, импульс, коорди- наты, векторы скорости и ускорения и т.д. В квантовой механике гамильто- ниан генерирует эволюцию квантовых состояний системы во времени. В то время как существующие класси- ческие КДЛ кодируют и обрабатывают информацию в виде двоичного кода, квантовый компьютер, оперирующий с тремя состояниями, определяет век- тор состояния кубита, или, иными сло- вами, вероятность нахождения кубита в том или ином состоянии. Другой важнейший ключевой прин- цип квантовых вычислений, который называется «квантовая запутанность – quantum entanglement», определяет вза- имозависимость состояния двух или большего числа квантовых объектов. Благодаря «квантовой запутанности» частицы, взаимодействующие друг с другом, могут оставаться связанными, мгновенно меняя свои физические состояния независимо от того, насколь- ко велико расстояние, которое их раз- деляет. Эффект «квантовой запутанности» хорошо иллюстрируется на примере фотонов, которые могут иметь линей- ную, круговую или эллиптическую поляризацию. В свою очередь, круго- вая поляризация может быть правой или левой, в зависимости от направле- ния вращения вектора индукции. Кро- ме того, в качестве дополнительного параметра могут быть задействованы орбитальные угловые моменты фото- нов. Например, если в паре запутан- ных фотонов один из них имеет пра- Рис. 3. Образ кубита на сфере Блоха Рис. 4. Схема экспериментальной проверки запутанности фотонов