Kubit fizyczny

• Autorzy: Romaniuk Ryszard

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2021.3.5

Warianty tytułu

EN

Physical qubit

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kubit fizyczny, na potrzeby niniejszych rozważań, można zdefiniować jako izolowany obiekt kwantowy o dwóch statystycznie superponowanych stanach kwantowych, który posiada potencjał aplikacyjny (funkcjonalny) jako kubit logiczny. Czas koherencji kubitu fizycznego (czas życia, czas istnienia w stanie superpozycji) musi być odpowiednio długi, aby umożliwić zastosowania praktyczne. Czas życia kubitu w stanie koherencji jest określony przez procesy dekoherencji środowiskowej. Kubit (logiczny) w obszarze kwantowej teorii informacji jest elementarną jednostką informacji kwantowej, analogiem do skalarnego bitu. W odróżnieniu od unormowanej skalarnej wartości bitu 0 lub 1, kubit jest wektorem unormowanym (ale nie w dwuwymiarowej przestrzeni Euklidesa) w dwuwymiarowej przestrzeni Hilberta o bazie ortonormalnej {|0>, |1>}, q=α|0>+β|1>, gdzie α, β są unormowanymi |α²|+|β²|=1 liczbami zespolonymi i statystycznymi amplitudami stanów kwantowych. W notacji Diraca |0>=[1,0], |1>=[0,1]. Pomiar powoduje kolaps koherentnego stanu kwantowego będącego statystyczną superpozycją stanów składowych do stanu dyskretnego z prawdopodobieństwami |α²| dla stanu |0>, i |β²| dla stanu |1>. Tak zdefiniowany logicznie kubit musi być wykonany fizycznie na realizowalnych, stabilnych, dwupoziomowych obiektach kwantowych. Jako kubity fizyczne stosuje się np. cząstki o spinie ½, elektron, polaryzację pojedynczego fotonu, izolowane pojedyncze atomy neutralne i jony, ale także kubity syntetyczne jak kolorowe centra wakancyjne w kryształach, kropki kwantowe, oraz emergencje kwantowe jak kwazicząstki i kwantowe pobudzenia kolektywne np. plazmoniczne.

EN

The physical qubit, for the purposes of these considerations, can be defined as an isolated quantum object with two statistically superposed quantum states, which has an application (functional) potential as a logical qubit. The coherence time of the physical qubit (lifetime, lifetime in superposition) must be long enough to allow for practical applications. The lifetime of a qubit in a coherence state is determined by the processes of environmental decoherence. The (logical) qubit in the field of quantum information theory is an elementary unit of quantum information, analogous to a scalar bit. Unlike a normalized scalar bit value of 0 or 1, a qubit is a normed vector (but not in a two-dimensional Euclid space), in a two-dimensional Hilbert space with an orthonormal basis {|0>,|1>}, q = α | 0> + β | 1>, where α, β are normalized |α²|+|β²|=1 complex numbers and statistical amplitudes of quantum states. In Dirac notation, |0>=[1,0], |1>=[0,1]. The measurement causes a collapse of a coherent quantum state which is a statistical superposition of the component states to the discrete state with the probabilities |α²| for the state |0>, and |β²| for state |1>. Such a logically defined qubit must be physically realized on stable, two-level quantum objects. Physical qubits are e.g. spin ½ particles, electrons, single photon polarization, isolated neutral atoms, and ions, but also synthetic qubits such as coloured vacancy centres in crystals, quantum dots, and quantum emergencies such as quasiparticles and quantum collective stimulations, e.g. plasmonic.

Słowa kluczowe

PL

informacja kwantowa; obiekt kwantowy dwupoziomowy; kubit fizyczny; kubit logiczny; kubit atomowy; kubit jonowy; kubit fotonowy; kropki kwantowe; kwazicząstki; pobudzenia kolektywne; plazmonika; kubity ruchomy; kubit stacjonarny; splątanie kwantowe; miary splątania; kubit splątany

EN

quantum information; two-level quantum object; physical qubit; atom qubit; ion qubit; photon qubit; quantum dots; quasiparticles; collective excitations; plasmonics; flying qubit; stationary qubit; quantum entanglement; measures of entanglement; entanglement entropy; entangled qubit

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 62, nr 3
• Strony: 20--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz.

Twórcy

autor

Romaniuk Ryszard

• Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Quantiki.org (2020)
• [2] IBM Quantum Challenge 2020 [ibm.com]
• [3] Qzabre.com (2020), Nanometer magnetic fields made visible
• [4] D.P. DiVincenzo (2000), The physical implementation of quantum computation, Fortschr. Phys. 48, 9-11, 771-783.
• [5] OIDA quantum photonics roadmap (2020), OSA, Washington DC.
• [6] T. Heinzel (2007), Mesoscopic electronics in solid state nanostructures, Wiley.
• [7] J.M. Smith, S.A. Meynell, et al. (2019), Colour centre generation in diamond for quantum technologies, Nanophotonics 8 (11).
• [8] F. Dolde, I. Jakobi, B. Najdenov, et al., Room temperature entanglement between single defect spins in diamond, nat. Phys 2013:9:139.10.1038/nphys254
• [9] A. Piga, M. Lewenstein, J.Q. Quach (2019), Quantum chaos and entanglement in ergodic and non-ergodic systems, arXiv: 1804.10543v2 [quant-ph]
• [10] H.Y. Xu, L. Huang, Y.C. Lai (February 2021), Relativistic quantum chaos in graphene, Physics Today
• [11] D. Lindley (November 2005), Anyon There?, Rev. Phys. Focus 16, 14
• [12] G.P. Collins (April 2006), Computing with quantum knots, Scientific American, 57-63
• [13] A.Y. Kitayev (1995), Quantum measurements and the Abelian Stabilizer Problem, arXiv:9511026v1
• [14] M. Webber, S. Herbert et al. (2020), Efficient qubit routing for a globally connected trapped quantum computer, Adv. Quant. Technol. 3 (202000027)
• [15] A. Bermudez, X. Xu, et al. (December 2017), Assessing the progress of trapped-ion processors towards fault tolerant quantum computation, zrXiv:1705.02771v3 [quant-phys]

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).