Кубит

Куби́т (${\displaystyle q}$-бит, от англ. Quantum BIT – квантовый бит), минимальная единица передаваемой или хранимой квантовой информации, аналогичная биту в классической информации.

Математически кубит – это вектор в двумерном гильбертовом пространстве, который задаётся набором двух базисных векторов ${\displaystyle \left|0\right\rangle }$ и ${\displaystyle \left|1\right\rangle }$, аналогичных значениям ${\displaystyle 0}$ и ${\displaystyle 1}$ классического бита. Кубит отличается от классического бита тем, что его можно представить суперпозицией ${\displaystyle \left|\varphi \right\rangle =\alpha \left|0\right\rangle +\beta \left|1\right\rangle }$, где ${\displaystyle \alpha }$ и ${\displaystyle \beta }$ – любые комплексные числа, удовлетворяющие условию ${\displaystyle \mid \alpha \mid ^{2}+\mid \beta \mid ^{2}=1}$. Таким образом, нельзя сказать, что кубит представлен либо вектором ${\displaystyle \left|0\right\rangle }$, либо вектором ${\displaystyle \left|1\right\rangle }$ – это лишь две возможности из бесконечного многообразия состояний. Преобразования, совершаемые над кубитом, описываются операторами.

С физической точки зрения кубит представляет собой чистое состояние квантовой двухуровневой системы, соответствующей реальному физическому объекту (например, поляризация фотона, состояние электрона в одиночном атоме, направление спина ядра в однородном магнитном поле). Хотя состояние кубита описывается волновой функцией и строго определено, отдельные измерения дают вероятностные результаты. Вероятность измерить кубит в состояниях ${\displaystyle \left|0\right\rangle }$ и ${\displaystyle \left|1\right\rangle }$ равна ${\displaystyle \mid \alpha \mid ^{2}}$ и ${\displaystyle \mid \beta \mid ^{2}}$ соответственно.

Физические преобразования над кубитом осуществляются путём воздействия на соответствующие степени свободы квантового объекта. Например, поляризационные кубиты преобразуются при помощи фазовых пластинок, состояние электрона в двухуровневом атоме задаётся приложением импульса резонансного электромагнитного поля определённой длительности и амплитуды.

Несколько кубитов могут образовывать сцепленные (перепутанные) состояния, для которых волновая функция не сводится к прямому произведению волновых функций отдельных кубитов.