Kvanttiportteja

Kvanttiportit ovat kvanttihankinnan perusyksiköitä, joilla ohjataan kvanttibittien (qubit) tiloja. Ne määritellään yksikköisinä (unitaarisina) operaatioina, jotka muuntavat tilan kuvan mukaisesti ja voivat koskea yhtä tai useampaa qubitia. Porttien toiminta on matemaattisesti kuvattavissa matriiseina, ja ne muodostavat kvanttihankkeen logiikkasäikeen, jolla toteutetaan algoritmit ja monimutkaisemmat tilankäsittelyt.

Yleisimmät porttityypit jakautuvat yksittäisqubiteilla toimiviin portteihin sekä useamman qubitin hallintaan tarkoitettuihin portteihin. Esimerkkejä ovat X-, Y- ja Z-Pauli-portit sekä Hadamard-portti (H), jonka avulla luodaan superponointeja, sekä vaiheportit S ja T. Useamman qubitin portteihin kuuluvat kontrolloidut portit kuten CNOT (controle-note) ja CZ. Universaali porttijoukko, jonka avulla voidaan toteuttaa mikä tahansa kvanttitoiminto, voidaan saavuttaa esimerkiksi yhdistämällä Hadamard-, T- ja CNOT -porteja tai käyttämällä yleisiä single-qubit-portteja yhdessä kontrolloitujen porttien kanssa.

Käytännössä kvanttiporttien toteuttaminen riippuu käytetystä fyysisestä järjestelmästä. Pääasialliset alustat ovat esimerkiksi suprakondaktiiviset piirit, trapattujen ionien järjestelmät sekä fotoniset kvanttiportit. Porttien fideliteetit ovat parantuneet ja yleisesti saavutetaan korkeita tuloksia lyhyillä gate-aikaväleillä, vaikka dekoherenssi ja virheet asettavat rajoituksia suurten ja monimutkaisten porttijonojen rakentamiselle ilman virheenkorjausta.

Kvanttiporttien historia ulottuu 1980-luvulle: teoreettiset periaatteet esittivät muun muassa David Deutsch sekä Nielsen ja Chuang 1990-luvulla. Ensimmäiset demonstraatiot eri porttien toiminnasta tapahtuivat 1990-luvulla ja 2000-luvun alussa, kun kvanttilaskenta kehittyi konkreettisiksi kokeellisiksi järjestelmiksi.