الكيوبت أوبِت كمومي (qubit أوqbit)، في الحوسبة الكمومية، هي وحدة المعلومات الكمية، وهواللقاء الكمومي للبِت الكلاسيكي. الكيوبت هونظام كمي ثنائي الحالة مثل استقطاب الفوتون: هنا الحالتين هما استقطاب عمودي واستقطاب أفقي. في الأنظمة الكلاسيكية، لا يمكن للبت حتى يأخد إلا حالة واحدة فقط من بين حالتين. في حين تسمح ميكانيك الكم للكيوبت حتى يأخد حالة تراكب لكلا الحالتين في نفس اللحظة وهذه هي الخاصية الأساسية في الحوسبة الكمومية.

أصل المفهوم والتسمية

مهد ستيفن ويزنر لتصور البت الكمومي بغير فهم مسبقة في 1983 في اقتراحه لل quantum money الذي كان قد حاول نشره لأكثر من عقد.

يعود مصطلح "كوبيت"  إلى بنيامين شوماخر. في اقرارات من ورقته البحثية، يقول شوماخر حتى مصطلح "كيوبت" اخترع عن طريق النادىبة فقط بسبب التشابه الصوتي مع حدثة "cubit" (التي هي وحدة قديمة لقياس الطول) أثناء محادثة مع وليام ووترز. توضح الورقة طريقة ضغط حالات مصدر معلومات كمومي لاستخدام أقل ما يمكن من الموارد المادية للتخزين. وتعهد هذه العملية الآن باسم ضغط شومخر.

مقارنة بين البت والبت الكمومي

البت هوأصغر وحدة ناقلة، أوحاملة للمعلومات. ويستعمل لمعالجة المعلومات عبر الحواسب.  بغض النظر عن البنية الفيزيائية لتخزين البت، لدى هذا الأخير حالتين تمثل عادة ب 0 أو1 لكن يمكن حتى يُمثل حسب التطبيق بشكل عام، مثلا "سليم" أو"خطأ" أوأي اختيارين متعارضين. مثلا يمكن اعتبار حالة مفتاح المصباح ك 1 عند التشغيل و0 عند الإطفاء.

يتشابه الكيوبت في بعض النقط مع البت التقليدي، لكنه بشكل عام يختلف كثيرا عنه. هناك نتيجتين محتملة لقياس كوبيت، عادة 0 و1،  مثل البت. لكن الفرق هوأنه في حين حتى حالة بت يمكن حتى تكون إما 0 أو1، حالة الكيوبت يمكن أيضا حتى تكون كتراكب لكلا الحالتين. من الممكن ترميز بت واحد في كوبيت واحد. في حين، كوبيت يمكن حتى يخزن معلومات أكثر، على سبيل المثال يصل إلى اثنين من البت باستخدام تشفير superdense coding.

يمكن وصف تام لحالة نظام مكون من n مكونات، في الفيزياء الكلاسيكية يحتاج ذلك فقط n بت ، بينما في فيزياء الكم يتطلب  2n−1 من الأعداد المركبة.

التمثيل

 تعهد الحالتين الإثنين التي يمكن حتى يقاس عليها الكيوبت بحالات القاعدة (أومتجهات القاعدة) . كما جرت العادة مع أي نوع من الحالات الكمية، فهي تمثل بواسطة تمثيل ديراك—أو"رمز براكيت" . يعني حتى حالتي القاعدة تخط، اصطلاحا،  كالتالي: و(تُلفظ "ket 0" و"ket 1").

حالات الكيوبت

كرة بلوخ لتمثيل الكيوبت. سعة الإحتمالات في النص معطية بـ ${\displaystyle \alpha =\cos \left({\frac {\theta {2 \right)$ و${\displaystyle \beta =e^{i\phi \sin \left({\frac {\theta {2 \right)$

حالة الكيوبت الصرف هي تعبير عن تراكب خطي لحالة القاعدة. وهذا يعني حتى الكيوبت يمكن حتى يمثل كهجريبة خطية من و :

${\displaystyle |\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ,\,$

حيث α وβ هي سعات الإحتمالات ويمكن بشكل عام حتى تكون أعداد مركبة.

عندما نقيس البت الكمومي في ال standard basis ، احتمال النتيجة هو واحتمال النتيجة هو. لأن مربعات المعيار تعطي الاحتمالات، ويترتب على ذلك العلاقة التالية التي تقيد قيم ألفا وبيتا:  

${\displaystyle |\alpha |^{2 +|\beta |^{2 =1.$

كرة بلوخ

يبدوللوهلة الأولى أنه يجب حتى تكون هناك أربع درجات من الحرية، وأعداد مركبة مع درجتين من الحرية لكل منهما. ومع ذلك، فإن درجة واحدة من الحرية يتم إزالتها بسبب القيد |α|² + |β|² = 1, التي يمكن حتى تعتبر على أنها معادلة 3-sphere مضمنة في 4-الأبعاد المكانية بقطر 1. هذا يعني مع تغيير مناسب للإحداثيات، حتى واحدة يمكن حتى تحذف واحدة من درجات الحرية. خيار ممكن هو  إحداثيات Hopf :

${\displaystyle {\begin{aligned \alpha &=e^{i\psi \sin {\frac {\theta {2 ,\\\beta &=e^{i(\psi +\phi ) \cos {\frac {\theta {2 .\end{aligned$

بالإضافة إلى ذلك، الطور  e^{i ψ} للكيوبت الواحد، لا يحمل أي نتائج فيزيائية إشارة، لذا يمكننا، اعتباطيا، اختيار α كعدد حقيقي (أوβ طالما α

صفر) ، وهجر درجتين من الحرية فقط:

${\displaystyle {\begin{aligned \alpha &=\sin {\frac {\theta {2 ,\\\beta &=e^{i\phi \cos {\frac {\theta {2 .\end{aligned$

ممكن حتى نعاين الحالات الممكنة للكيوبت الواحد باستخدام كرة بلوخ (انظر الرسم). ممثلة في فلكة، البت التقليدي يمكن حتىقد يكون فقط في "القطب الشمالي" أو"القطب الجنوبي" في مواقع وعلى التوالي. بقية سطح الكرة غير متاح للبت الكلاسيكي، ولكن حالة الكيوبت الصرف يمكن حتى تُمثل كأي نقطة على سطح الكرة. على سبيل المثال، حالة الكيوبت يفترض أن تقع على خط استواء الكرة، على الجزء الموجب للمحور y.

سطح الكرة هوالفضاء ثنائي الأبعاد الذي يمثل حالة الفضاء لحالات للكيوبت الصرف. حيث لها  درجتين من الحرية.

من الممكن وضع البت الكمومي في حالة كمومية مختلطة أوحالة ممزوجة، مزيج إحصائي من حالات محضة مختلفة. ويمكن حتى تمثل الحالات المختلطة بنقط تقع داخل كرة بلوخ. للحالة المختلطة ثلاث درجات حرية: الزوايا ووكذلك الطول للمتجه الذي يمثل هذه الحالة.

العمليات على حالات البت الكمومي الصرف

هناك أنواع مختلفة من العمليات التي يمكن القيام بها على حالات الكيوبت الصرف.

•  البوابة المنطفية الكمومية يمكنها حتى تأثر على كوبيت: رياضيا، يخضع الكيوبت لتحويل واحدي. تمثل التحويلات الواحدية دوران متجه الكيوبت في كرة بلوخ.
• قياس القاعدة المعيارية هي العملية التي من خلالها تُجلب المعلومات عن حالة الكيوبت. نتيجة القياس تكون إما مع احتمال أومع احتمال . قياس حالة كيوبت يغير قيم α وβ. عملى سبيل المثال، إذا كانت نتيجة القياس ، يتم تغيير α إلى 1 و  β إلى 0. فهما حتى قياس حالة الكيوبت متشابكة مع نظام كمي آخر يحول حالة صرفة إلى حالة مختلطة.

التشابك

من بين الفروقات الهامة بين البت الكمومي والبت الكلاسيكي هوأنه بإمكان عدة كيوبتات حتى تبدي تشابك كمي. التشابك هوخاصية غير محلية التي تتيح مجموعة من الكيوبت حتى تبدي أعلى ارتباط مما هوممكن في النظم الكلاسيكية. خذ على سبيل المثال ، كيوبتين متشابكين في حالة بيل

${\displaystyle {\frac {1 {\sqrt {2 (|00\rangle +|11\rangle ).$

في هذه الحالة المسماة تراكب متساوي، هناك تساوي احتمالات قياس إما أو، .

تخيل كيوبتين متشابكين يتم اعطاء جميع واحد لكل من أحمد ومحمد. أحمد ينجز قياس للكيوبت الخاص به،  يحصل على—مع تساوي الاحتمالات—إما أو. بسبب تشابك الكيوبتين يجب حتى يحصل محمد بالضبط على نفس قياس أحمد; أي إذا قاس أحمد 0 . القياس نفسه ، هي الحالة الوحيدة حيث كيوبت أحمد هو.  يتيح التشابك أيضا عدة حالات (مثل حالة بيل المذكورة أعلاه) حتى تتخذ في وقت واحد، على عكس البتات الكلاسيكية التي لا يمكن حتىقد يكون لها سوى قيمة واحدة في جميع مرة. التشابك هوعنصر ضروري للحوسبة الكمية الذي لا يمكن القيام به بكفاءة على الكمبيوتر الكلاسيكي. الكثير من نجاحات الاتصال والحوسبة الكمية ، مثل quantum teleportation والترميز superdense coding ، تستفيد من التشابك، مما يشير إلى حتى التشابك هوالمورد الفريد من نوعه لدى الحوسبة الكمية.

المسجل الكمي

عدد من البتات الكمية مجتمعة معا هومسجل كمي. أجهزة الكمبيوتر الكمومية تجري العمليات الحسابية عن طريق التلاعب بالكيوبتات ضمن سجل. ال qubyte (البايت الكمي) هوتعبير عن مجموعة من ثمانية كيوبت.

تنوعات الكيوبت

على غرار الكيوبت، qutrit هي وحدة الكم من المعلومات في نظام كمي 3-مستوى. هذا مماثل للوحدة الكلاسيكية للمعلومات trit. ومصطلح "qudit" يستخدم للدلالة على وحدة المعلومات الكمية في النظم  d-level الكمية.

التمثيل الفيزيائي

 يمكن حتى يُستخدم أي نظام 2-مستوى كبت كمومي. يمكن حتى تستخدم أيضا الأنظمة متعددة المستويات، إذا كان لديها حالتين منفصلتين بفعالية عن البقية. هناك الكثير من المقترحات. عدة تطبيقات فيزيائية التي تقارب أنظمة 2-مستوى للأنظمة بدرجات مختلفة التي تحققت بنجاح. وكما هوالحال بالنسبة للبت الكلاسيكي حيث حتى حالة الترانزيستور،حالة مغنطة سطح القرص الصلب، ووجود تيار في سلك كهربائي من عدمه، كلها تمثل البتات في نفس الكمبيوتر، من المرجح حتى يستخدم الحاسب الكمي النهائي، هجريبات مختلفة من الكيوبتات في تصميمه.

هنا قائمة غير مكتملة من تطبيقات فيزيائية للبتات الكمومية، واختيارات القاعدة تمت بالإصطلاح فقط.

الدعم المادي	الاسم	الدعم المعلوماتي	${\displaystyle |0\rangle$	${\displaystyle |1\rangle$
الفوتون	ترميز الفوتون	استقطاب الضوء	أفقي	رأسي
	عدد الفوتونات	Fock state	Vacuum	حالة الفوتون المفرد
	Time-bin encoding	زمن الوصول	مبكر	متأخر
Coherent state of light	Squeezed light	Quadrature	Amplitude-squeezed state	Phase-squeezed state
الإلكترون	المغزل الإلكتروني	مغزلي	لأعلى	لأسفل
	الرقم الإلكتروني	السنة	لا يوجد إلكترونات	إلكترون واحد
النواة	مغزل نووي addressed through NMR	مغزل	لأعلى	لأسفل
الشبكات البصرية	مغزل نووي	مغزل	لأعلى	لأسفل
Josephson junction	Superconducting charge qubit	الشحنة	Uncharged superconducting island (Q=0)	Charged superconducting island (Q=2e, one extra Cooper pair)
	Superconducting flux qubit	Current	Clockwise current	Counterclockwise current
	Superconducting phase qubit	الطاقة	Ground state	First excited state
Singly charged quantum dot pair	Electron localization	الشحنة	Electron on left dot	Electron on right dot
Quantum dot	Dot spin	مغزل	لأسفل	لأعلى

تخزين الكيوبت

في ورقة بعنوان: "Solid-state quantum memory using the ³¹P nuclear spin"  ، التي نشرت في تشرين الأول / أكتوبر 23, 2008 من مجلة  الطبيعة، قام فريق من الفهماء من المملكة المتحدة والولايات المتحدة عن أول نقل طويل وثابت نسبيا (1.75 ثانية) لحالة تراكب في لف إلكترون "معالجة" كيوبت إلى لف نووي "ذاكرة" كوبيت. هذا الحدث يمكن اعتباره نسبيا أول تخزين ثابت للمعلوومات الكمية، خطوة حيوية نحوتطوير الحوسبة الكمومية. مؤخرا تم تعديل أنظمة مماثلة (باستخدام مكونات مشحونة بدلا من محايدة) وهذا مدد بشكل كبير هذه المدة  إلى ثلاثة ساعات في درجات حرارة منخفضة جدا و39 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. إعداد Qbit على أساس لف الإلكترون بدلا من لف النوية كان قد أثبت أيضا من قبل فريق من الفهماء من سويسرا وأستراليا.

انظر أيضاً

• نظام كمومي ثنائي الحالة
• Ancilla bit
• حاسوب فوتوني
• W state
• Physical and logical qubits

قراءات إضافية

• A good introduction to the topic is the book by Nielsen and Chuang.
• An excellent treatment of two-level quantum systems, decades before the term “qubit” was coined, is found in the third volume of The Feynman Lectures on Physics (2013 ebook edition).
• A non-traditional motivation of the qubit aimed at non-physicists is found in Quantum Computing Since Democritus, by Scott Aaronson, Cambridge University Press (2013).
• A good introduction to qubits for non-specialists, by the person who coined the word, is found in Lecture 21 of ‘‘The science of information: from language to black holes’’, by Professor Benjamin Schumacher, The Great Courses, The Teaching Company (4DVDs, 2015).
• A picture-book introduction to entanglement, contrasting classical systems and a Bell state, is found in “Quantum entanglement for babies“, by Chris Ferrie (2017).

المصادر