Wstęp

Mechanika kwantowa jest potężnym narzędziem pomagającym w zrozumieniu ruchu i oddziaływań obiektów o niewielkich rozmiarach, takich jak atomy czy cząsteczki. Powstała w 1925 roku i do tej pory trwają dyskusje, czy jest ona teorią fundamentalną. Mechanika kwantowa wyjaśnia otrzymywane wyniki eksperymentalne. Jej podstawy często na pierwszy rzut oka wydają się dziwne i nieintuicyjne, bo przeczą faktom wynikającym z mechaniki klasycznej, z jaką mamy do czynienia w otaczającym nas świecie. Codzienne doświadczenia i związane z nimi prawa fizyki nie są w stanie wprowadzić nas w zagadnienia mechaniki kwantowej (według której na przykład moglibyśmy siedzieć jednocześnie na dwóch bardzo odległych krzesłach). Założeniem tego rozdziału jest wprowadzenie czytelnika do tego niezwykle interesującego świata. Na Ilustracji 7.1 pokazano procesor komputera kwantowego. To urządzenie jest mózgiem nadprzewodzącego komputera kwantowego, który pracuje w temperaturach bliskich zera bezwzględnego ($T=0\mathrm{K}=\mathrm{-273,15}\mathrm{°}\mathrm{C}$), a więc poniżej temperatury ciekłego helu ($T=\mathrm{4,2}\mathrm{K}=\mathrm{-268,95}\mathrm{°}\mathrm{C}$). W odróżnieniu od komputerów cyfrowych, które zapisują informacje za pomocą systemu binarnego (zera lub jedynki, czyli $q=0$ lub $q=1$), komputery kwantowe używają w tym celu bitów kwantowych (ang. quantum bits), zwanych kubitami (ang. qubit), będących stanem mieszanym zera i jedynki (na przykład dany stan jest w $30\mathrm{\%}$ logicznym zerem i w $70\mathrm{\%}$ logiczną jedynką). W tym sensie zachodzi tutaj analogia do klasycznej logiki rozmytej, gdzie nie ma jednoznacznego stanu zera lub jeden. Taka sytuacja zachodzi na przykład dla sztucznej sieci neuronowej rozpoznającej symbole w zakłóconym obrazie, w przypadku której nigdy nie ma pewności, iż rozpoznany element jest prawidłowo zidentyfikowany. Wówczas stan rozpoznania może wynosić $q=\mathrm{0,7}$ (wartość prawdopodobieństwa). Aby odróżnić stany klasyczne (bity) od stanów kwantowych (kubitów), warto odwołać się do Ilustracji 7.2. Tutaj stan kubitu jest przedstawiany w postaci punktów leżących na powierzchni trójwymiarowej sfery o stałym promieniu $r$. Położenie tych punktów jest określone za pomocą kątów $\theta$ i $\phi$. Do opisu kubitu (jednostki kwantowej informacji) używamy dwóch liczb rzeczywistych, a nie jednej liczby naturalnej, jak w klasycznym bicie (jednostce klasycznej informacji).

Ilustracja 7.2 Stan kubitu jest opisywany za pomocą trójwymiarowej sfery o środku w punkcie $x=y=z=0$ (sfera Blocha), o stałym promieniu $r$ (zazwyczaj ustalamy $r=1$) i wyznaczają go kąty $\theta$ oraz $\phi$. Kolory czerwony i niebieski odpowiadają stanom o wartościach $q=0$ albo $q=1$. Linia brązowa oznacza stan z logiki rozmytej, gdzie $q$ należy do $⟨0,1⟩$.