▎Квантовая информация: кубиты и квантовые состояния
Квантовая информация – это область науки, которая изучает, как квантовые механические явления могут использоваться для обработки и передачи информации. В отличие от классической информации, которая основана на битах, квантовая информация оперирует кубитами и квантовыми состояниями. Давайте рассмотрим эти концепции более подробно.
▎1. Кубиты
Определение кубита: Кубит (квантовый бит) – это основная единица квантовой информации. В отличие от классического бита, который может находиться только в одном из двух состояний (0 или 1), кубит может существовать в состоянии 0, 1 или в суперпозиции этих состояний. Это значит, что кубит может быть одновременно и 0, и 1, что открывает новые возможности для обработки информации.
Суперпозиция: Состояние кубита описывается квантовым состоянием, которое может быть представлено как линейная комбинация двух базовых состояний |0⟩ и |1⟩. Например, кубит может находиться в состоянии α|0⟩ + β|1⟩, где α и β – комплексные числа, удовлетворяющие условию |α|² + |β|² = 1. Это свойство суперпозиции позволяет квантовым системам выполнять множество вычислений одновременно.
Запутанность: Запутанность – это еще одно важное свойство кубитов. Два или более кубитов могут быть связаны таким образом, что состояние одного кубита зависит от состояния другого, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Это явление называется квантовой запутанностью и является ключевым для квантовых вычислений и квантовой криптографии.
▎2. Квантовые состояния
Описание квантовых состояний: Квантовое состояние системы описывается вектором состояния в гильбертовом пространстве. Для одного кубита это может быть выражено как |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, где |ψ⟩ – вектор состояния кубита. Квантовые состояния могут быть как чистыми (когда система находится в определённом состоянии), так и смешанными (когда система описывается статистической смесью нескольких чистых состояний).
Измерение квантовых состояний: При измерении кубита его состояние "коллапсирует" в одно из базовых состояний |0⟩ или |1⟩ с вероятностями, определяемыми амплитудами α и β. Например, вероятность того, что кубит будет измерен в состоянии |0⟩, равна |α|², а в состоянии |1⟩ – |β|². Этот процесс измерения является одним из самых загадочных аспектов квантовой механики и имеет важные последствия для понимания квантовой информации.