هل يمكن للبوابات الكمومية أن تحتوي على مدخلات أكثر من المخرجات بشكل مشابه للبوابات الكلاسيكية؟
في عالم الحساب الكمي، يلعب مفهوم البوابات الكمومية دورًا أساسيًا في معالجة المعلومات الكمومية. البوابات الكمومية هي اللبنات الأساسية للدوائر الكمومية، مما يتيح معالجة وتحويل الحالات الكمومية. وعلى النقيض من البوابات الكلاسيكية، لا يمكن للبوابات الكمومية أن تمتلك مدخلات أكثر من المخرجات، حيث يتعين عليها أن تمثل العمليات الوحدوية، أي أن تكون قابلة للعكس.
في الحوسبة الكلاسيكية، تحتوي البوابات (مثل بوابة AND وبوابة OR على سبيل المثال) عادةً على مدخلين ومخرج واحد (تقع هذه البوابات ضمن فئة الجبر البولياني الذي لا رجعة فيه، ولكن هناك أيضًا بوابات كلاسيكية لها نفس عدد المدخلات والمخرجات وبالتالي يمكن عكسها). ولكن في الحساب الكمي، يجب أن تظهر البوابات خاصية الوحدة، وبالتالي يجب أن يكون لها نفس عدد المدخلات والمخرجات.
من الخصائص الأساسية للبوابات الكمومية وحدانيتها، أي أنها يجب أن تحافظ على تطبيع الحالات الكمومية وأن تكون قابلة للعكس. ويضمن هذا المطلب أن تكون العمليات الكمومية حتمية ويمكن التراجع عنها، وهو أمر مهم للحفاظ على تماسك المعلومات الكمومية. ومن خلال الاستفادة من التحويلات الوحدوية، يمكن للبوابات الكمومية تنفيذ مجموعة واسعة من العمليات، بما في ذلك تحويلات فورييه الكمومية، وتقدير الطور الكمومي، والنقل الآني الكمومي.
مثال توضيحي للبوابة الكمومية (التي لها نفس عدد المدخلات والمخرجات) هي بوابة عدم التحكم (CNOT). تحتوي بوابة CNOT، وهي بوابة ذات اثنتين من البتات الكمومية، على اثنين من وحدات البت الكمومية للمدخل واثنتين من وحدات البت الكمومية للخرج. إنها تنفذ عملية NOT على الكيوبت الثاني (الكيوبت المستهدف) فقط إذا كان الكيوبت الأول (الكيوبت التحكمي) في الحالة |1⟩. تمثل هذه البوابة كيف يمكن للبوابات الكمومية التعامل مع عدة كيوبتات في وقت واحد، مما يعرض التوازي المتأصل في الحساب الكمي، ولكن أيضًا قابلية العكس.
علاوة على ذلك، فإن البوابات الكمومية الشاملة، مثل بوابة هادامارد، وبوابات باولي، وبوابات الطور، جنبًا إلى جنب مع بوابة CNOT تشكل مجموعة كاملة (عالمية) يمكن استخدامها لتقريب أي تحول وحدوي على نظام كمي (بمعنى آخر تنفيذ أي تحويل وحدوي على نظام كمي). بوابة كمومية أخرى أو مجموعة من البوابات). تتيح هذه البوابات العالمية، بالاشتراك مع خوارزميات كمومية مناسبة، تحقيق دوائر كمومية قادرة على حل المشكلات الحسابية المعقدة بكفاءة، متجاوزة قدرات أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في مجالات معينة.
لا يمكن للبوابات الكمومية في الحساب الكمي أن تمتلك مدخلات أكثر من المخرجات، نظرًا لخاصية الوحدة الخاصة بها (والتي تترجم إلى قابلية الحساب العكسي، على عكس البوابات الكلاسيكية المنطقية، مثل بوابات NOR وNAND، بالإضافة إلى بوابات OR وAND القياسية ، أو بوابات XOR التي تتوافق مع بوابة CNOT الكلاسيكية، والتي لا تحافظ على بت التحكم). تسمح البوابات الكمومية القابلة للانعكاس بإجراء عمليات معقدة على الكيوبتات التي تستغل مبادئ ميكانيكا الكم. ينبع تعدد استخدامات البوابات الكمومية وقوتها من وحدتها وقدرتها على التعامل مع الحالات الكمومية بطريقة عكسية، مما يمهد الطريق لتطوير خوارزميات كمومية ذات قدرات حسابية تحويلية.
في واقع الأمر، بدأ تطوير المعلومات الكمية ونظرية الحساب من منظور مجتمع هندسة الكمبيوتر مع زميل أبحاث IBM تشارلز بينيت الذي كان يفكر في البنى الحسابية الكلاسيكية القابلة للعكس، مدركًا أن البوابات المنطقية المنطقية الكلاسيكية لا رجعة فيها وبالتالي تفقد المعلومات، وتبدد ترميز المعلومات. الطاقة من حيث الحرارة (والتي تم صياغتها بواسطة مبدأ Landauer c الذي يقضي بحساب كمية الطاقة المتبددة لكل محو بت واحد في كل عملية بوابة منطقية منطقية مساوية لـ ln2، أي اللوغاريتم الطبيعي لـ 2 مضروبًا في ثابت بولتزمان ودرجة الحرارة) وبالتالي إدخال لا مفر منه في مثل هذه البنى تسخين معالجات الحوسبة، الأمر الذي كان عائقا في مزيد من التصغير. تحول تشارلز بينيت إلى البوابات الكلاسيكية القابلة للعكس ولكنه أثبت أن البوابات العالمية الفردية القابلة للعكس هي بوابات ذات 3 بتات فقط (مثل بوابة فريدكين أو بوابة توفولي، والمعروفة أيضًا باسم CCNOT، أو بوابة التحكم-التحكم-ليس). نظرًا لحقيقة أن تحويل بنيات الحوسبة الكلاسيكية من البوابات المنطقية المنطقية (مثل NAND، وهي بوابة عالمية واحدة) إلى بوابات 3 بت سيكون غير واقعي نظرًا للمعايير التقنية الراسخة للبوابات المنطقية المطبقة على الترانزستورات البسيطة في معالجات الكمبيوتر، فقد تحول بينيت كان تركيزه على نموذج الحساب الكمي، حيث كان يجب أن يكون قابلاً للعكس بسبب الخاصية الأساسية لتطور الزمن الوحدوي في فيزياء الكم. قدم هذا حافزًا تنمويًا قويًا جديدًا للمعلومات الكمومية وتطوير نظرية الحساب ومتابعة الإنجازات التجريبية.
أسئلة وأجوبة أخرى حديثة بخصوص أساسيات المعلومات الكمية EITC/QI/QIF:
- هل اتساع الحالات الكمومية دائمًا أرقام حقيقية؟
- كيف تعمل بوابة النفي الكمومي (بوابة NOT الكمومية أو بوابة Pauli-X)؟
- لماذا بوابة Hadamard قابلة للانعكاس ذاتيًا؟
- إذا قمت بقياس الكيوبت الأول لحالة بيل على أساس معين ثم قمت بقياس الكيوبت الثاني على أساس يدور بزاوية ثيتا معينة، فإن احتمال حصولك على إسقاط للمتجه المقابل يساوي مربع جيب ثيتا؟
- ما عدد البتات من المعلومات الكلاسيكية المطلوبة لوصف حالة تراكب الكيوبت الاعتباطي؟
- كم عدد الأبعاد التي تبلغ مساحتها 3 كيوبت؟
- هل سيؤدي قياس الكيوبت إلى تدمير تراكبه الكمومي؟
- هل تشمل العائلة العالمية للبوابات الكمومية بوابة CNOT وبوابة Hadamard؟
- ما هي تجربة الشق المزدوج؟
- هل تدوير مرشح الاستقطاب يعادل تغيير أساس قياس استقطاب الفوتون؟
عرض المزيد من الأسئلة والأجوبة في أساسيات المعلومات الكمية EITC/QI/QIF