양자 게이트는 클래식 게이트와 유사하게 출력보다 더 많은 입력을 가질 수 있습니까?

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양자 계산 영역에서 양자 게이트의 개념은 양자 정보 조작에 근본적인 역할을 합니다. 양자 게이트는 양자 회로의 구성 요소로, 양자 상태를 처리하고 변환할 수 있습니다. 고전적인 게이트와 달리 양자 게이트는 단일 작업을 나타내야 하기 때문에 출력보다 더 많은 입력을 가질 수 없습니다. 즉, 가역적이어야 합니다.

클래식 컴퓨팅에서 게이트(예: AND 게이트 및 OR 게이트)에는 일반적으로 두 개의 입력과 하나의 출력이 있습니다(이러한 게이트는 되돌릴 수 없는 부울 대수의 범주에 속하지만 동일한 수의 입력을 갖는 클래식 게이트도 있습니다). 출력되므로 되돌릴 수 있습니다). 그러나 양자 계산에서 게이트는 단일성 특성을 나타내야 하므로 입력 및 출력 수가 동일해야 합니다.

양자 게이트의 필수적 특성 중 하나는 단일성으로, 양자 상태의 정규화를 보존하고 가역적이어야 함을 의미합니다. 이 요구 사항은 양자 연산이 결정론적이고 취소될 수 있음을 보장하며, 이는 양자 정보의 일관성을 유지하는 데 중요합니다. 단일 변환을 활용함으로써 양자 게이트는 양자 푸리에 변환, 양자 위상 추정 및 양자 순간이동을 포함한 광범위한 연산을 구현할 수 있습니다.

동일한 수의 입력 및 출력을 갖는 양자 게이트의 예시적인 예는 CNOT(Controlled-NOT) 게이트입니다. 1큐비트 게이트인 CNOT 게이트에는 XNUMX개의 입력 큐비트와 XNUMX개의 출력 큐비트가 있습니다. 첫 번째 큐비트(제어 큐비트)가 |XNUMX⟩ 상태인 경우에만 두 번째 큐비트(대상 큐비트)에 NOT 연산을 수행합니다. 이 게이트는 양자 게이트가 여러 큐비트를 동시에 조작할 수 있는 방법을 보여줌으로써 양자 계산에 내재된 병렬성과 가역성을 보여줍니다.

또한 Hadamard 게이트, Pauli 게이트 및 위상 게이트와 같은 범용 양자 게이트는 CNOT 게이트와 함께 양자 시스템의 단일 변환을 근사화하는 데 사용할 수 있는 완전한(범용) 세트를 형성합니다. 다른 양자 게이트 또는 게이트 세트). 이러한 범용 게이트는 적절한 양자 알고리즘과 결합하여 복잡한 계산 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 양자 회로를 실현하여 특정 영역에서 기존 컴퓨터의 기능을 능가합니다.

양자 계산의 양자 게이트는 단일성 특성으로 인해 출력보다 더 많은 입력을 가질 수 없습니다(예를 들어 NOR 및 NAND 게이트와 표준 OR 및 AND 게이트와 같은 부울 클래식 게이트와 달리 계산 가역성으로 변환됨). 또는 제어 비트를 보존하지 않는 클래식 CNOT 게이트에 해당하는 XOR 게이트). 가역성 양자 게이트를 사용하면 양자 역학의 원리를 활용하는 큐비트에 대한 정교한 작업이 가능합니다. 양자 게이트의 다양성과 강력함은 단일성 및 양자 상태를 가역적인 방식으로 조작하는 능력에서 비롯되며, 혁신적인 계산 기능을 갖춘 양자 알고리즘 개발의 길을 열어줍니다.

실제로 컴퓨터 공학 커뮤니티의 관점에서 양자 정보 및 계산 이론 개발은 고전적인 가역적 계산 아키텍처를 고려하고 있던 IBM 연구원 Charles Bennett에서 시작되었으며, 고전적인 부울 논리 게이트는 되돌릴 수 없으므로 정보가 손실되고 정보 인코딩이 소실된다는 사실을 깨달았습니다. 열 측면의 에너지(모든 부울 논리 게이트 연산에서 단일 비트 삭제당 소산되는 에너지의 양을 계산하는 Landauer 원리 c에 의해 공식화됨)는 ln2와 동일합니다. 즉 자연 로그 2에 볼츠만 상수를 곱한 값입니다. 및 온도) 따라서 이러한 아키텍처에서는 컴퓨팅 프로세서의 발열이 불가피하게 발생하며 이는 추가 소형화에 장애물이 되었습니다. Charless Bennett는 가역적인 클래식 게이트로 전환했지만 가역적인 단일 범용 게이트는 단지 3비트 게이트(예: CCNOT 또는 제어-제어-비 게이트라고도 알려진 Fredkin 게이트 또는 Toffoli 게이트)임을 입증했습니다. 컴퓨터 프로세서의 단순한 트랜지스터에 구현된 부울 게이트의 잘 확립된 기술 표준으로 인해 기존 컴퓨팅 아키텍처를 부울 논리 게이트(예: 단일 범용 게이트인 NAND)에서 3비트 게이트로 전환하는 것이 비현실적이라는 사실 때문에 Bennett는 전환했습니다. 그는 양자 물리학의 단일성 시간 진화의 기본 속성으로 인해 가역적이어야 했기 때문에 양자 계산 모델에 중점을 두었습니다. 이는 양자 정보 및 계산 이론 개발과 실험적 실현을 위한 새롭고 강력한 개발 원동력을 도입했습니다.

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