- •Часть 3. Модели распознавания образов.
- •10.1. Постановка задачи распознавания образов.
- •10.1.1. Предмет распознавания образов.
- •10.1.2. Формулировка задачи распознавания образов.
- •10.1.3. Алгоритмы распознавания образов.
- •10.2. Модели распознавания образов на основе линейной алгебры.
- •10.3. Диагностика малых групп в структуре социальной системы.
- •10.3.1. Формирование социометрической матрицы.
- •10.3.2. Выявление малых групп в социуме.
- •10.3.3. Полугрупповые подходы при управлении малыми группами
- •11.1. Искусственный интеллект и нейронаука.
- •11.2. Мозг – как функциональная система.
- •11.3. Нейросетевые модели мозга: требования, описания и
- •11.4. Нейросетевое обучение в дискретной модели Хопфилда/
- •11.5. «Нейросетевая педагогика» и ее приложения.
- •11.6. Нелинейные модели и прогноз развития
- •12.1. Оценка состояния современной информатики
- •12.2. Квантовая физика и квантовая информатика.
- •12.3. Кубиты и операции с ними.
- •12.4. Принципиальная схема квантового компьютера.
- •12.5. Реализации и перспективы квантовой информатики.
12.3. Кубиты и операции с ними.
Идея квантовых
вычислений, впервые высказанная Ю.И.
Маниным [48] и Р. Фейнманом [49], состоит в
том, что квантовая система, содержащая
n
двухуровневых элементов – квантовых
битов или кубитов
– имеет
линейно независимых состояний и,
следовательно, по принципу квантовой
суперпозиции, пространством состояний
такого квантового
регистра
является
-мерное
гильбертово пространство. Операция в
квантовых вычислениях соответствует
повороту вектора состояния регистра в
этом пространстве. Таким образом,
квантовое
вычислительное устройство размером в
n
кубит может выполнять параллельно
операций.
Пусть имеется один
кубит. Тогда измерение его состояния в
рамках классической механики даст
результат 0 или 1, т.к. измеряемый объект
в этом случае может находиться только
в одном из двух возможных состояний.
Однако кубит – квантовый объект и
поэтому, вследствие принципа
неопределенности Гейзенберга, в
результате измерения может быть и 0, и
1 с определенной вероятностью. Если
состоянию кубита соответствует 0 (или
1) со стопроцентной вероятностью, то его
состояние обозначается кет-вектором
Дирака |0> (или |1>), представляя базисные
состояния кубита. В общем случае квантовое
состояние кубита представляет суперпозицию
a|0>
+ b|1>,
где |a|
и |b|
-
вероятности измерить 0 или 1 соответственно,
как следует из определения волновой
функции [47]; a;b
C;
.
Более того, сразу после измерения кубит
переходит в базовое квантовое состояние,
аналогичное классическому результату.
Пример.
Имеется кубит в квантовом состоянии
|0>
–
|1>.
В этом случае, вероятность получить в
измерении 0 составляет (4/5)
=
0,64 = 64%, а 1:(-3.5)
=
0,36 = 36%. Т.к. в измерении 0 получился с
большей вероятностью, то кубит переходит
в новое квантовое состояние 1|0> + 0|1>
= |0>, т.е. при следующем измерении данного
кубита получится 0 со 100% вероятностью.
Это обусловлено тем, что дираковский
вектор состояния не зависит от времени,
т.е. представляется в виде линейной
комбинации векторов базисных состояний
с независимыми от времени коэффициентами
[47].
Отметим, что
реальными двухуровневыми системами,
например, является спин ядра или электрона
в постоянном внешнем поле, поляризация
фотона, оптические уровни энергии и
состояния электрона в ионе Са
[46].
В системе из двух
кубитов имеются 4 классических состояния
00;01;10;11 и при измерении они дают вероятность
0 или 1. Базисными квантовыми состояниями
в этом случае являются дираковские
кет-векторы |00>;|01>;|10>;|11> и в общем
случае квантовое состояние данной
системы имеет вид a|00>
+ b|01>
+ c|10>
+ d|11>
, где
;
a;b;с;d
C
и теперь
|a|
–
вероятность измерить 00 и т.д.
Пример.
Имеется 2-кубитная система в состоянии:
|00>
+
|01>
+
+
|10> +
|11>.
Вероятность получить в измерении
состояние 00 равна (1/5)
=
0,04 =4%; состояние 01 – (2/5)
=
0,16=16%; состояние 10 – (3/5)
=
0,36 = 36%; состояние 11 – (
/5)
=
0,44 = 44%. Т.к. состояние 11 в измерении
получилось с наибольшей вероятностью,
то данная система переходит в новое
квантовое состояние 0|00> + 0|01> + 0|10>
+ 1|11> = |11>, т.е. при следующем измерении
данной квантовой системы получится
состояние 11 со 100% вероятностью.
В общем случае у
системы из
n
кубитов имеется
классических состояний 000…(n
нулей), … 001 (n
цифр), …, 111… (n
единиц), каждое из которых может быть
измерено с вероятностями 0 – 100%. Данные
n
кубитов образуют квантовый
регистр
компьютера. В ходе выполнения квантового
алгоритма состояния кубитов изменяются
согласно плану выполнения алгоритма.
Доказано, что любой квантовый алгоритм
может быть разложен на последовательность
преобразований состояний отдельных
кубитов и пар кубитов (1- и 2-кубитовые
преобразования, или "вентили")
[46].
Таким образом, операция суперпозиции над группой кубитов затрагивает всевозможные значения, которые она может принимать, в отличие от классического бита. Тем самым, открываются широкие возможности для распараллеливания алгоритмов вычислений.
