Quantum Computing – Điện toán lượng tử phụ thuộc rất nhiều vào các nguyên tắc vật lý lượng tử để đạt được khả năng tính toán nâng cao. Nắm bắt một số khái niệm lượng tử cốt lõi là chìa khóa để hiểu điện toán lượng tử ở mức độ sâu hơn.
Trạng thái lượng tử: Trạng thái hỗn hợp và trạng thái tinh khiết
Trong cơ học lượng tử, trạng thái lượng tử hay vectơ trạng thái là một khái niệm cơ bản. Nó đề cập đến trạng thái của một hệ lượng tử và bao gồm tất cả thông tin bạn có thể biết về nó. Trạng thái lượng tử được mô tả bằng trạng thái hỗn hợp hoặc trạng thái thuần túy . Trong khi trạng thái thuần túy là trạng thái lượng tử được mô tả bằng một vectơ trạng thái duy nhất (hàm sóng được xác định chính xác), thì trạng thái hỗn hợp mô tả sự kết hợp thống kê của các trạng thái có thể có. Cả hai điều này đều thể hiện sự hiểu biết theo ngữ cảnh khác nhau về trạng thái của hệ thống.
Khi nói đến trạng thái thuần túy, nó thường được biểu thị bằng hàm sóng chính xác mô tả chi tiết sự chồng chất gắn kết của các giá trị. Mặt khác, trạng thái hỗn hợp thường là kết quả của việc thiếu thông tin hoàn hảo về hệ thống, thường được biểu thị bằng ma trận mật độ thay vì hàm sóng.
Sự chồng chất lượng tử
Một trong những nguyên tắc lượng tử quan trọng nhất là sự chồng chất . Điều này đề cập đến cách các hạt hạ nguyên tử có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Ví dụ: một qubit có thể biểu thị đồng thời 0, 1 hoặc cả 0 và 1 do sự chồng chất. Điều này hoàn toàn khác với các bit cổ điển chỉ có thể ở trạng thái 0 hoặc 1. Sự chồng chất cho phép qubit xử lý song song nhiều thông tin hơn đáng kể so với các bit cổ điển.
Đo lường và thu gọn
Đo lường là một khía cạnh cơ bản của điện toán lượng tử dựa trên nguyên lý suy giảm hàm sóng. Hàm sóng biểu thị sự phân bố xác suất của một hệ lượng tử, mô tả các trạng thái có thể có của nó. Khi một phép đo được thực hiện trên một qubit ở trạng thái chồng chất, hàm sóng sẽ sụp đổ về một trạng thái cụ thể là 0 hoặc 1. Sự sụp đổ này là ngẫu nhiên, với xác suất của mỗi kết quả được xác định bởi biên độ của các trạng thái chồng chất.
Rối lượng tử
Một hiện tượng lượng tử quan trọng khác là sự vướng víu . Điều này xảy ra khi nhiều hạt lượng tử trở nên tương quan với nhau sao cho trạng thái của chúng dựa vào nhau, bất kể khoảng cách vật lý ngăn cách chúng. Các qubit vướng víu giữ lại các kết nối và có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến trạng thái của nhau. Điều này cho phép máy tính lượng tử xử lý và truyền thông tin với hiệu quả chưa từng có.
Sự kết hợp lượng tử
Trong bối cảnh điện toán lượng tử, tính kết hợp đề cập đến khả năng của qubit duy trì trạng thái chồng chất của chúng. Trong khoảng thời gian này, các qubit thể hiện hành vi giống sóng và có thể tương tác với nhau thông qua cổng lượng tử. Khi các qubit kết hợp chặt chẽ, các hoạt động lượng tử có thể diễn ra hiệu quả. Tuy nhiên, việc duy trì sự kết hợp lượng tử trong thời gian dài hơn là một thách thức lớn trong điện toán lượng tử do nhiễu môi trường và các yếu tố khác có thể khiến qubit mất đi các đặc tính cơ học lượng tử.
Sự mất kết hợp lượng tử
Máy tính lượng tử là hệ thống có độ nhạy cao, dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường, dẫn đến sự mất kết hợp lượng tử . Sự mất kết hợp đề cập đến sự mất kết hợp lượng tử do tương tác với môi trường bên ngoài. Điều này có thể dẫn đến sai sót trong tính toán lượng tử và là một trong những trở ngại chính trong việc phát triển máy tính lượng tử thực tế.
