В информатике управляемый вентиль НЕ (также C-NOT или CNOT ), управляемый X- вентиль , управляемый бит-переворотный вентиль , вентиль Фейнмана или управляемый Pauli-X — это квантовый логический вентиль , который является важным компонентом в конструкции квантового компьютера на основе вентилей . Он может использоваться для запутывания и распутывания состояний Белла . Любая квантовая схема может быть смоделирована с произвольной степенью точности с использованием комбинации вентилей CNOT и поворотов отдельных кубитов . [1] [2] Вентиль иногда называют в честь Ричарда Фейнмана , который разработал раннюю нотацию для схем квантовых вентилей в 1986 году. [3] [4] [5]
CNOT можно выразить в базисе Паули следующим образом:
Вентиль CNOT работает на квантовом регистре, состоящем из 2 кубитов. Вентиль CNOT переворачивает второй кубит (целевой кубит) тогда и только тогда, когда первый кубит (управляющий кубит) равен .
До
После
Контроль
Цель
Контроль
Цель
Если являются единственными допустимыми входными значениями для обоих кубитов, то выход TARGET вентиля CNOT соответствует результату классического вентиля XOR . Фиксируя CONTROL как , выход TARGET вентиля CNOT дает результат классического вентиля NOT .
В более общем случае входы могут быть линейной суперпозицией . Вентиль CNOT преобразует квантовое состояние:
в:
Действие вентиля CNOT можно представить в виде матрицы ( форма матрицы перестановки ):
Первая экспериментальная реализация вентиля CNOT была осуществлена в 1995 году. Здесь использовался один ион бериллия в ловушке . Два кубита были закодированы в оптическое состояние и в колебательное состояние иона внутри ловушки. Во время эксперимента надежность операции CNOT была измерена и составила порядка 90%. [6]
В дополнение к обычному управляемому вентилю НЕ можно построить управляемый функцией вентиль НЕ, который принимает произвольное число n +1 кубитов в качестве входных данных, где n +1 больше или равно 2 ( квантовый регистр ). Этот вентиль переворачивает последний кубит регистра тогда и только тогда, когда встроенная функция с первыми n кубитами в качестве входных данных возвращает 1. Управляемый функцией вентиль НЕ является существенным элементом алгоритма Дойча–Йожи .
Поведение в преобразованном Адамаром базисе
Если рассматривать только в вычислительном базисе , поведение C NOT выглядит как эквивалентный классический вентиль. Однако простота маркировки одного кубита как управляющего , а другого как целевого не отражает сложность того, что происходит для большинства входных значений обоих кубитов.
Понимание может быть получено путем выражения CNOT-ворот относительно преобразованного Адамара базиса . Преобразованный Адамаром базис [a] однокубитного регистра задается как
и соответствующая основа 2-кубитного регистра —
,
и т. д. Рассматривая CNOT в этом базисе, состояние второго кубита остается неизменным, а состояние первого кубита переворачивается в соответствии с состоянием второго бита. (Подробности см. ниже.) «Таким образом, в этом базисе смысл того, какой бит является контрольным битом , а какой целевым битом, изменился на противоположный. Но мы вообще не изменили преобразование, только то, как мы думаем о нем». [7]
«Вычислительный» базис является собственным базисом для спина в направлении Z, тогда как базис Адамара является собственным базисом для спина в направлении X. Переключение X и Z и кубитов 1 и 2 затем восстанавливает исходное преобразование». [8] Это выражает фундаментальную симметрию вентиля CNOT.
Наблюдение, что оба кубита (в равной степени) затронуты взаимодействием C NOT, имеет важное значение при рассмотрении потока информации в запутанных квантовых системах. [9]
Подробности расчета
Теперь перейдем к деталям вычисления. Прорабатывая каждое из состояний базиса Адамара, результаты в правом столбце показывают, что первый кубит переключается между и , когда второй кубит :
Начальное состояние в базисе Адамара
Эквивалентное состояние в вычислительной базе
Применить оператора
Состояние в вычислительной базе после C NOT
Эквивалентное состояние в базисе Адамара
С НЕТ
С НЕТ
С НЕТ
С НЕТ
Квантовую схему, которая выполняет преобразование Адамара, за которым следует C- НЕ , а затем еще одно преобразование Адамара, можно описать как выполняющую вентиль CNOT в базисе Адамара (т.е. смену базиса ):
(H 1 ⊗ H 1 ) −1 . C НЕ . (H 1 ⊗ H 1 )
Однокубитное преобразование Адамара, H 1 , является эрмитовым и, следовательно, обратным самому себе. Тензорное произведение двух преобразований Адамара, действующих (независимо) на двух кубитах, обозначается как H 2 . Поэтому мы можем записать матрицы как:
H 2 . C НЕ . H 2
При умножении получается матрица, которая меняет местами члены и , оставляя члены и в покое. Это эквивалентно вентилю CNOT, где кубит 2 является управляющим кубитом, а кубит 1 — целевым кубитом: [b]
Для построения входы A (управление) и B (цель) вентиля C- НЕ следующие:
и .
После применения C NOT результирующее состояние Белла обладает свойством, что отдельные кубиты могут быть измерены с использованием любого базиса и всегда будут иметь 50/50 шанс разрешения для каждого состояния. По сути, отдельные кубиты находятся в неопределенном состоянии. Корреляция между двумя кубитами является полным описанием состояния двух кубитов; если мы оба выберем один и тот же базис для измерения обоих кубитов и сравнения записей, измерения будут идеально коррелировать.
При рассмотрении в вычислительном базисе оказывается, что кубит A влияет на кубит B. Изменение нашей точки зрения на базис Адамара показывает, что симметричным образом кубит B влияет на кубит A.
Входное состояние можно также рассматривать как
и .
В представлении Адамара управляющий и целевой кубиты концептуально поменялись местами, и кубит A инвертируется, когда кубит B равен . Выходное состояние после применения вентиля C NOT может быть показано следующим образом:
ворота C-ROT
Вентиль C-ROT (управляемое вращение Раби ) эквивалентен вентилю C-NOT, за исключением вращения ядерного спина вокруг оси z. [10] [11]
В мае 2024 года Канада ввела экспортные ограничения на продажу квантовых компьютеров, содержащих более 34 кубитов и коэффициент ошибок ниже определенного порога ошибок CNOT , а также ограничения для квантовых компьютеров с большим количеством кубитов и более высоким коэффициентом ошибок. [12] Те же ограничения быстро появились в Великобритании, Франции, Испании и Нидерландах. Они предложили немного объяснений этого действия, но все они являются государствами Вассенаарского соглашения , и ограничения, по-видимому, связаны с проблемами национальной безопасности, потенциально включая квантовую криптографию или защиту от конкуренции . [13] [14]
Смотрите также
ворота Тоффоли (ворота контролируемые-контролируемые-НЕ)
Примечания
^ Обратите внимание, что можно построить, применив вентиль Адамара к кубиту, установленному в , и аналогично для
^ Фейнман, Ричард П. (1986). «Квантовые механические компьютеры». Основы физики . 16 (6): 507– 531. Bibcode : 1986FoPh...16..507F. doi : 10.1007/BF01886518. ISSN 0015-9018. S2CID 121736387.
^ Samrin, S. Saniya; Patil, Rachamma; Itagi, Sumangala; Chetti, Smita C; Tasneem, Afiya (2022-06-01). «Проектирование логических вентилей с использованием обратимых вентилей с уменьшенной квантовой стоимостью». Global Transitions Proceedings . Международная конференция по интеллектуальному инженерному подходу (ICIEA-2022). 3 (1): 136– 141. Bibcode : 2022GloTP...3..136S. doi : 10.1016/j.gltp.2022.04.011 . ISSN 2666-285X.
^ Thapliyal, Himanshu; Ranganathan, Nagarajan (2009). «Проектирование эффективных обратимых двоичных вычитателей на основе нового обратимого вентиля». 2009 IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI . pp. 229–234 . doi :10.1109/ISVLSI.2009.49. ISBN978-1-4244-4408-3. S2CID 16182781.
↑ Правительство Канады, Министерство общественных работ и государственных услуг Канады (19 июня 2024 г.). «Canada Gazette, часть 2, том 158, номер 13: Приказ о внесении изменений в список экспортного контроля». gazette.gc.ca . Получено 07 июля 2024 г.
^ Спаркс, Мэтью (2024-07-03). «Несколько стран вводят таинственный экспортный контроль над квантовыми компьютерами». New Scientist . Получено 2024-07-07 .
^ Гримм, Даллин (2024-07-06). «Таинственные ограничения квантовых вычислений распространяются на несколько стран — Великобритания ссылается на риски национальной безопасности и отказывается вдаваться в подробности». Tom's Hardware . Получено 2024-07-07 .
Внешние ссылки
Майкл Уэстморленд: «Изоляция и поток информации в квантовой динамике» — обсуждение вентиля Cnot