La implementación física de un qubit es un objeto que puede tener dos estados posibles y puede exhibir propiedades de mecánica cuántica, como estar en una superposición de esos estados, por ejemplo, un ion que se puede colocar en una superposición de un estado excitado y no excitado , o un fotón que puede estar en una superposición de tomar un camino u otro. Para hacer un buen qubit, también debe ser fácil de medir y controlar, lo que también incluye el control de múltiples qubits: debe haber una forma de acoplarlo a sus vecinos, porque las operaciones con 2 o 3 qubits son importantes .
El código de máquina de las computadoras cuánticas consiste en un par de operaciones básicas de uso común, llamadas puertas debido a su similitud con las puertas lógicas, que una computadora clásica ejecuta haciendo algo a los qubits de la computadora cuántica (disparándolas con láser o microondas y similar):
- La puerta de Hadamard pone el qubit en la superposición igual de sus estados básicos.
- Sigma X, Y, Z: representan rotaciones del valor a lo largo de los ejes de la esfera Bloch, en tantos grados que, por ejemplo, en el caso X, 1 termina como 0 y viceversa (como una operación Not).
- La puerta de control no aplica Sigma X al segundo qubit si el primero es 1.
- La puerta de Toffoli es como CNot, pero toma dos qubits de control y voltea el tercero si ambos son 1.
- Puertas de rotación generalizadas, como Sigma X, Y, Z, pero por la cantidad especificada por el usuario.
- Swap and Controlled-Swap: intercambia los valores de dos qubits, dependiendo de que otro sea 1 en el segundo caso.
- Cambio de fase y cambio de fase controlado: aún más rotaciones.
Además de las puertas comunes, está la operación de medición, que hace que el qubit interactúe con el mundo clásico y se lea un valor, como un bit clásico. Destruye el estado cuántico, y las probabilidades de obtener 0 o 1 dependen de dónde se encuentre en la esfera Bloch mencionada anteriormente. Además de la lectura, las mediciones se pueden utilizar para impulsar el cálculo hacia adelante, colapsando parcialmente el estado del registro (colección de qubits).
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Nota importante: ¡las operaciones controladas anteriores NO implican medición! Cuando digo “si un qubit es 1”, comprenda que todas las opciones suceden, es solo que si mide 1 para el qubit de control encontrará que la operación ha sucedido.
Para una experiencia más práctica, echa un vistazo a Quantum Computing Playground, un simulador de computadora cuántica basado en navegador. Hay implementaciones de varios algoritmos importantes en la sección “ejemplos”.
El paralelismo proviene de la capacidad de poner qubits en superposición. La parte difícil es que esto es solo un generador de números aleatorios glorificado, hasta que descubra cómo usar la interferencia para recortar los resultados incorrectos del conjunto de todos los resultados posibles. Se cree que el enredo es importante por los beneficios que tienen las computadoras cuánticas sobre las clásicas.
