Кубит. Свойства . Модельное описание кубита

Любая информация может быть сведена до уровня элементарных единиц, которые мы называем битами. Каждый бит — это да или нет, которые могут быть представлены цифрами 0 или 1. Однако, как мы увидим, чтение и запись такой информации в кубит — это нечто иное по сравнению с чтением и записью этой информации в классический бит.

Рис. 1 Классический и квантовый бит. (a) Классический бит: если мы положим бит в классический ящик, то цвет вынутого шарика будет такой же, как у того, который мы туда поместили. (b) Кубит: если мы положим шарик в квантовый ящик и откроем неверную дверь, то цвет шарика выберется случайным образом.

Мы можем представить (ку)бит как ящик, в который мы можем положить одно из двух битовых значений путём размещения шарика, имеющего один из двух цветов (как показано на рис. 1). Для чтения битового значения из ящика мы его просто открываем и смотрим, какой цвет шарика внутри. Для классического бита цвет внутри будет такой же, как и когда его туда поместили. Однако, это необязательно так в случае кубитов.^4 В квантовом формализме две различных дверцы ящика показывают два различных способа измерения состояния кубита. Чтобы прочитать корректную битовую информацию, мы должны знать, какая дверь была использована при помещении кубита и использовать эту же самую дверь. Если мы откроем не ту дверь, то шарик внутри будет иметь случайный цвет, — таким образом, информация, сохранённая в кубите, изменится на бит со случайным значением. Это также значит, что сохранённая информация уничтожена.
Одна из реализаций кубита — это поляризованный фотон. Один из способов определения поляризации фотона — это направить его к разделителю луча и измерить, на каком из выходов поляризационного разделителя луча будет найден фотон^5. Однако, поскольку поляризационный разделитель луча способен проводить разделение только в ортогональных поляризациях, мы не можем настроить поляризационный лучевой разделитель в один и тот же момент времени на два угла. Таким образом, мы не можем прочитать состояние кубита, не имея дополнительной информации. Например, если мы знаем, что поляризация должна быть вертикальной или горизонтальной в референсной координатной системе^6, то мы можем читать состояния кубитов, меняя ориентацию разделителя луча в координатной системе. Если мы найдём фотон на одном выходе из разделителя, то будем знать, что поляризация фотона была горизонтальной; если найдём на другом выходе — то вертикальной (см. рис. 2). То есть, нужно априори знать, какую координатную систему использовать для того, чтобы подготовиться к корректному чтению кубита. Если мы будем использовать другую ориентацию разделителя луча, то результат измерения будет случайным, так же как и при открытии неправильной двери в квантовом ящике на рисунке 1. Отметим, что как только фотон продетектирован на одном из выходов после разделителя, он сразу приобретает поляризацию выбранного выхода безотносительно к своей предыдущей (исходной) поляризации — это то, как природа работает на квантовом уровне.

Рис. 2: Кубит как поляризованный фотон. (a) Источник фотонов перед линейным поляризатором создаёт кубит с требуемой поляризацией, в данном случае горизонтально поляризованный фотон. (b) Как только горизонтально поляризованный фотон проходит через горизонтально-вертикально ориентированный поляризационный разделитель луча, то он всегда будет найден на выходе из разделителя, соответствующем горизонтальной поляризации. (c) Как только горизонтально поляризованный фотон проходит через диагонально ориентированный разделитель луча, то фотон может быть найден на любом из выходов с вероятностью 50% (но его можно детектировать только на одном из них!). Кроме того, фотон будет иметь после этого соответствующую диагональную поляризацию. Таким образом, измерение изменило состояние фотона.