在量子计算领域,量子门的概念在量子信息的操纵中发挥着基础作用。量子门是量子电路的构建块,能够处理和转换量子态。与经典门相比,量子门不能拥有比输出更多的输入,因为它们必须表示单一操作,即可逆。
在经典计算中,门(例如“与”门和“或”门)通常具有两个输入和一个输出(这些门属于不可逆布尔代数的一类,但是也存在具有相同数量输入的经典门和输出,因此是可逆的)。然而,在量子计算中,门必须表现出幺正性,因此必须具有相同数量的输入和输出。
量子门的一个基本特征是其幺正性,这意味着它们必须保持量子态的规范化并且可逆。这一要求确保量子操作是确定性的并且可以撤消,这对于保持量子信息的一致性非常重要。通过利用幺正变换,量子门可以实现各种操作,包括量子傅里叶变换、量子相位估计和量子隐形传态。
量子门(具有相同数量的输入和输出)的说明性示例是受控非(CNOT)门。 CNOT 门是一个双量子位门,具有两个输入量子位和两个输出量子位。仅当第一个量子位(控制量子位)处于状态 |1⟩ 时,它才对第二个量子位(目标量子位)执行 NOT 运算。该门举例说明了量子门如何同时操纵多个量子位,展示了量子计算固有的并行性以及可逆性。
此外,通用量子门,例如哈达玛门、泡利门和相位门,与 CNOT 门一起形成一个完整的(通用)集合,可用于近似量子系统上的任何酉变换(换句话说,实现任何其他量子门或一组门)。这些通用门与合适的量子算法相结合,使得量子电路的实现能够有效地解决复杂的计算问题,在某些领域超越了经典计算机的能力。
量子计算中的量子门不能拥有比输出更多的输入,因为它们具有幺正性(这转化为计算可逆性,与布尔经典门相反,例如 NOR 和 NAND 门,以及标准 OR 和 AND 门) ,或对应于经典 CNOT 门的异或门,它不保留控制位)。可逆量子门允许对利用量子力学原理的量子位进行复杂的操作。量子门的多功能性和强大功能源于其单一性和以可逆方式操纵量子态的能力,为开发具有变革性计算能力的量子算法铺平了道路。
事实上,从计算机工程界的角度来看,量子信息和计算理论的发展始于IBM研究员Charles Bennett,他在考虑经典可逆计算架构时,意识到经典布尔逻辑门是不可逆的,因此会丢失信息,消散信息编码以热量表示的能量(由兰道尔原理 c 形式化,计算每个布尔逻辑门操作中每次擦除单个位所消耗的能量等于 ln2,即 2 的自然对数乘以玻尔兹曼常数和温度),因此在这种架构中不可避免地会导致计算处理器升温,这是进一步小型化的障碍。 Charles Bennett 转向可逆经典门,但已证明可逆的单个通用门只是 3 位门(例如 Fredkin 门或 Toffoli 门,也称为 CCNOT 或控制-控制-非门)。由于在计算机处理器中的简单晶体管上实现的布尔门的完善技术标准,将经典计算架构从布尔逻辑门(例如 NAND,单个通用门)转移到 3 位门是不现实的,Bennett 已经转变他专注于量子计算模型,因为由于量子物理学中幺正时间演化的基本性质,它必须是可逆的。这为量子信息和计算理论的发展以及后续的实验实现带来了新的、强劲的发展动力。
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