Современная электроника №7/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 ских КДЛ с ячейками памяти и транзи- сторной логикой, размещающей нули и единицы в эти ячейки. Роль кванто- вого регистра выполняют сами кубиты, в которых хранится информация в течение времени их жизни. Проще говоря, то, что подразумевается под термином «квантовый регистр», – это просто массив из n кубитов. Причём всё содержимое кубита носит вероят- ностный характер, заранее неизвестно и проявляется только в процессе вычис- лений. Квантовые регистры доступны при определённых условиях, в то время как классические регистры КБЛ доступ- ны всегда. Ещё одно важное отличие от КБЛ заключается в том, что квантовые регистры нельзя ни скопировать неза- висимо друг от друга, ни удалить инди- видуально. Нужно также отметить, что вероят- ность правильного ответа на выхо- де квантового алгоритма не быва- ет 100%. При 100% мы выставляем кубит в крайнее положение, выво- дим его из вычислительного состоя- ния когерентности, тем самым «уби- вая» активную жизнь кубита и стирая всю предыдущую информацию, запи- санную ранее в «регистрах» суперпо- зиции. Именно поэтому в квантовых вычислениях в принципе невозмож- ны необратимые операции. В кван- товых компьютерах нет вентилей типа чистого сложения, но есть вен- тили для выполнения обратимых дей- ствий, таких, например, как вычита- ние, отрицание, тождество. По сравнению с классическими компьютерами КДЛ у квантовых вен- тилей больше потенциальных воз- можностей. Кроме линейных преобра- зований однокубитные вентили могут также переводить кубиты в состояние суперпозиции, а многокубитные венти- ли способны запутывать кубиты меж- ду собой. Важным свойством квантовых венти- лей является принцип двойного отри- цания. Как в английской грамматике два последовательных «не» нейтрали- зуют отрицание, так и в операторах квантовых вычислений двойное после- довательное применение полностью ликвидирует последствия его действия. Произвольные однокубитные уни- тарные вентили U также ассоцииру- ются с вращением кубита. Например, вентиль U1 осуществляет вращение одного кубита вокруг оси Z, U2 осущест- вляет вращение одного кубита вокруг X+Y осей. Вентиль U3 – это универсаль- ный однокубитный поворотный затвор с тремя углами Эйлера. Следует обратить внимание на одно из фундаментальных свойств кванто- вых вычислений – квантовый паралле- лизм (quantumparallelism). Например, если применить оператор «инверсии» к некоторому кубиту, имеющему вероят- ности появления λ и β в крайних состо- яниях, соответственно ноль и едини- ца, то кубит перейдет в состояние 0 с вероятностью β , а в состояние едини- ца с вероятностью λ . В результате одной операции изменились сразу оба состо- яния кубита. В этом смысле вычисле- ния проводятся параллельно. Подоб- ным образом проводятся вычисления с трёхкубитными, четырёхкубитными и более сложными системами. В кван- товой системе, состоящей из n куби- тов, возможны 2 n значений состояний, определяемых амплитудами вероят- ности. Если кубиты в системе запута- ны, то измерение одного кубита всегда выводит его из состояния запутанно- сти с остальными кубитами и приво- дит в одно из двух чистых базисных состояний. При этом квантовое состо- яние всей системы кубитов изменяет- ся скачкообразно по определённому закону. Свойство квантового парал- лелизма позволяет использовать сра- зу все состояния кубитов и вычислять функцию состояния квантовой систе- мы в целом. Существует универсальный набор вентилей, которого достаточно для выполнения любого квантового вычис- ления. Например, универсальным явля- ется набор, включающий вентиль Ада- мара, вентиль фазового сдвига, вентиль CNOT и вентиль π /8. С их помощью можно выполнить любое квантовое вычисление на произвольном наборе кубитов [40]. Всё чаще вместо отдельных кванто- вых вентилей используются универ- сальные квантовые вентили. В различ- ных типах квантовых компьютеров состояние кубитов контролируется по-разному. Например, в квантовых компьютерах на основе нейтральных ядер состояние кубита определяется с помощьюфотонов, которые атом испу- скает, переходя с одного энергетиче- ского уровня на другой. В работе [41] предложена конструкция универсаль- ного квантового вентиля, в котором каналы фотонных волноводов пере- ключаются с помощью внешних управ- ляющих сигналов (рис. 6) [42]. За основу в схеме, показанной на рис. 6, взят оператор SWAP, реализуе- мый в классе управляемых квантовых вентилей. На вход простейшего управ- ляемого вентиля SWAP подаётся управ- ляющий и один управляемый кубит. Вентиль срабатывает в зависимости от состояния управляющего кубита. В рассматриваемой схеме использу- ются три кубита – два вычислительных и один управляющий. Вентиль меняет состояния двух кубитов в зависимо- сти от состояния третьего, управляю- щего кубита. Если управляющий вен- тиль находится в состоянии «единица», Рис. 6. Схема универсального квантового вентиля Примечание: Три верхние пары определяют два вычислительных и один управляющий кубиты. Нижняя пара относится к триггеру срабатывания вентиля.