Wprowadzenie

Superpozycja

Informatyka kwantowa wykorzystuje zjawiska kwantowe zachodzące między cząstkami. Jednym z nich jest superpozycja. Oznacza to, że cząstka jednocześnie znajduje się we wszystkich możliwych stanach.

W komputerach kwantowych zmienne, na których prowadzone są obliczenia nazywamy kubitami. Ich nazwa pochodzi od bitów — elementarnych jednostek informacji, mogących przyjąć tylko jeden z dwóch stanów – 0 lub 1. Kwantowy bit, czyli kubit, wprowadzony w stan superpozycji znajduje się w obu stanach jednocześnie i dopiero jego odczyt powoduje otrzymanie konkretnej wartości. Możemy wykorzystać tę własność wykonując równolegle wiele obliczeń przy użyciu tej samej cząstki, by następnie szybko odczytać właściwy wynik. Osiągnięcie takiego przyspieszenia nie byłoby możliwe przy użyciu klasycznej maszyny.

Prosty układ demonstrujący działanie superpozycji może składać się ze źródła światła, dwóch płytek półprzepuszczalnych oraz dwóch zwierciadeł.
Pojedynczy foton po przejściu przez pierwszą płytkę półprzepuszczalną znajduje się jednocześnie w górnej i dolnej ścieżce.
Następnie interferuje sam ze sobą, przez co następuje wygaszenie na drodze do detektora A i wzmocnienie na drodze do detektora B. Ponieważ na ścieżce do detektora A występuje interferencja destruktywna, to prawdopodobieństwo odczytu fotonu w detektorze B wynosi 100%.

Splątanie

Drugim zjawiskiem, które jest wykorzystywane w obliczeniach kwantowych, jest splątanie. Oznacza to, że stany kwantowe dwóch cząstek są powiązane ze sobą i zależne od siebie, a odczyt wyniku jednej natychmiast powoduje zmianę stanu drugiej. Ta właściwość cząstek pozwala tworzyć stany kwantowe składające się z większej liczby cząstek, dzięki czemu liczba jednocześnie obliczanych rozwiązań przyrasta w sposób wykładniczy.

Do interferometru na jednej ze ścieżek fotonu umieścimy teraz bombę, która wybucha przy kontakcie z fotonem. Istnieje więc 50% prawdopodobieństwo, że bomba wybuchnie. Jeżeli jednak foton przeleciał górną częścią obwodu, to znów z prawdopodobieństwem 50% rozdzieli się na wiązkę górną i dolną, a zatem z równym prawdopodobieństwem aktywuje detektory A i B.

Brak interferencji jest związany z aktem pomiaru wykonanym przez bombę. Od tego momentu nie znajduje się on już w stanie superpozycji, a przyjmuje konkretną pozycję w układzie.
W przeciwieństwie do poprzedniego przypadku, mamy teraz jakąkolwiek szansę na aktywację detektora A. Z prawdopodobieństwem 25% możemy wykryć, bombę, bez konieczności jej detonacji.

Bramki kwantowe

Omawiane wcześniej zjawiska możemy przełożyć na język bramek kwantowych — elementarnych jednostek służących do programowania komputerów kwantowych.

Wykorzystamy bramki Hadamarda (H), w celu uzyskania superpozycji stanów, a także kontrolowaną bramkę NOT (CX lub CNOT), w celu splątania ze sobą zmiennych reprezentujących foton i bombę.
Pomiar wyjścia obwodu będzie teraz procesem probabilistycznym. Interesujący nas wynik, w którym bomba nie wybuchła i aktywowany został detektor A, powinniśmy odczytać z prawdopodobieństwem zbliżonym do 25%.