I sfären av kvantberäkningar spelar begreppet kvantportar en grundläggande roll i manipuleringen av kvantinformation. Kvantgrindar är byggstenarna i kvantkretsar, som möjliggör bearbetning och transformation av kvanttillstånd. Till skillnad från klassiska grindar kan kvantgrindar inte ha fler ingångar än utgångar, eftersom de måste representera enhetsoperationer, dvs vara reversibla.
I klassisk beräkning har grindar (som till exempel AND-grinden och OR-grinden) vanligtvis två ingångar och en utgång (dessa grindar faller under en kategori av den irreversibla booleska algebra, men det finns också klassiska grindar som har samma antal ingångar och utgångar och är därför reversibla). I kvantberäkningar måste dock grindar uppvisa en enhetsegenskap och måste därför ha samma antal ingångar och utgångar.
En av de väsentliga egenskaperna hos kvantportar är deras enhetlighet, vilket innebär att de måste bevara normaliseringen av kvanttillstånd och vara reversibla. Detta krav säkerställer att kvantoperationer är deterministiska och kan ångras, vilket är viktigt för att upprätthålla koherensen i kvantinformationen. Genom att utnyttja enhetliga transformationer kan kvantgrindar implementera ett brett utbud av operationer, inklusive kvantfouriertransformationer, kvantfasuppskattning och kvantteleportering.
Ett illustrativt exempel på en kvantgrind (som har samma antal ingångar och utgångar) är den styrda INTE (CNOT)-grinden. CNOT-grinden, som är en två-qubit-grind, har två ingående qubits och två utgående qubits. Den utför en NOT-operation på den andra qubit (mål-qubit) endast om den första qubit (kontroll-qubit) är i tillståndet |1⟩. Den här grinden exemplifierar hur kvantgrindar kan manipulera flera kvantbitar samtidigt, vilket visar den inneboende parallelliteten i kvantberäkning, men också reversibilitet.
Dessutom bildar universella kvantgrindar, såsom Hadamard-porten, Pauli-grindarna och fasgrindarna, tillsammans med CNOT-grinden en komplett (universell) uppsättning som kan användas för att approximera varje enhetlig transformation på ett kvantsystem (med andra ord implementera alla annan kvantport eller en uppsättning grindar). Dessa universella grindar, i kombination med lämpliga kvantalgoritmer, möjliggör realiseringen av kvantkretsar som kan lösa komplexa beräkningsproblem effektivt och överträffar kapaciteten hos klassiska datorer inom vissa domäner.
Kvantgrindar i kvantberäkning kan inte ha fler ingångar än utgångar, på grund av deras enhetsegenskap (vilket översätts till beräkningsreversibilitet, i motsats till booleska klassiska grindar, såsom till exempel NOR- och NAND-grindar, såväl som standard- ELLER- och AND-grindarna eller en XOR-grind som motsvarar en klassisk CNOT-grind, som inte bevarar kontrollbiten). Reversibla kvantgrindar möjliggör sofistikerade operationer på kvantbitar som utnyttjar kvantmekanikens principer. Mångsidigheten och kraften hos kvantgrindar härrör från deras enhetlighet och förmåga att manipulera kvanttillstånd på ett reversibelt sätt, vilket banar väg för utvecklingen av kvantalgoritmer med transformativa beräkningsmöjligheter.
Faktum är att utvecklingen av kvantinformation och beräkningsteori ur ett datatekniksamhälles perspektiv började med IBM-forskaren Charles Bennett som övervägde klassiska reversibla beräkningsarkitekturer, och insåg att klassiska booleska logiska grindar är irreversibla och därför förlorar information, vilket försvinner informationskodning energi i termer av värme (som formaliserades av Landauer-principen c att beräkna mängden energi som försvinner per radering av en enda bit i varje boolesk logisk grindoperation till att vara lika med ln2, dvs. en naturlig logaritm på 2 multiplicerad med Boltzmann-konstanten och temperaturen) och därför införa oundviklig i sådana arkitekturer uppvärmning av datorprocessorer, vilket var ett hinder för ytterligare miniatyrisering. Charless Bennett vände sig till reversibla klassiska grindar men har bevisat att enkla universella grindar som är reversibla endast är 3-bitars grindar (som Fredkin-porten eller Toffoli-porten, även känd som CCNOT, eller kontroll-kontroll-inte-porten). På grund av att det skulle vara orealistiskt att byta klassiska beräkningsarkitekturer från booleska logiska grindar (som NAND, en enda universell grind) till 3-bitars grindar på grund av väletablerad teknisk standard för booleska grindar implementerade på enkla transistorer i datorprocessorer, har Bennett skiftat hans fokus på kvantberäkningsmodell, eftersom den måste vara reversibel på grund av en grundläggande egenskap hos enhetstidsutvecklingen i kvantfysiken. Detta introducerade en ny, stark utvecklingsimpuls för utveckling av kvantinformation och beräkningsteori och efter experimentella realiseringar.
Andra senaste frågor och svar ang EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals:
- Är amplituder av kvanttillstånd alltid reella tal?
- Hur fungerar quantum negation gate (quantum NOT eller Pauli-X gate)?
- Varför är Hadamard-porten självvändbar?
- Om man mäter den 1:a qubiten i Bell-tillståndet på en viss bas och sedan mäter den 2:a qubiten i en bas roterad med en viss vinkel theta, är sannolikheten att du kommer att få projektion till motsvarande vektor lika med kvadraten på sinus för theta?
- Hur många bitar av klassisk information skulle behövas för att beskriva tillståndet för en godtycklig qubit-superposition?
- Hur många dimensioner har ett utrymme på 3 qubits?
- Kommer mätningen av en qubit att förstöra dess kvantöverlagring?
- Inkluderar den universella familjen av kvantportar CNOT-porten och Hadamard-porten?
- Vad är ett dubbelslitsexperiment?
- Är rotation av ett polariserande filter likvärdigt med att ändra basen för fotonpolarisationsmätning?
Se fler frågor och svar i EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals