Квантовый вентиль (квантовый логический элемент) — это базовый элемент квантового компьютера, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определённому закону. Отличается от обычных логических вентилей тем, что работает с кубитами. Квантовые вентили в отличие от многих классических всегда являются обратимыми.
Так как кубит можно представить вектором в двумерном пространстве, то действие вентиля можно описать унитарной матрицей, на которую умножается соответствующий вектор состояния входного кубита. Однокубитные вентили описываются матрицами размера 2 × 2, двухкубитные — 4 × 4, а n-кубитные — 2n × 2n.
Также возможны вентили, имеющие два входа (и два выхода, так как количество входов и выходов у квантовых вентилей должно совпадать в силу требования унитарности):
Набор квантовых вентилей называют универсальным, если любое унитарное преобразование можно аппроксимировать с любой заданной точностью конечной последовательностью вентилей из этого набора. Иными словами, универсальные квантовые вентили являются генераторами группы унитарных матриц. Можно доказать, что набор, состоящий из вентиля C-NOT и всех однокубитных вентилей, является универсальным. Возможны и другие универсальные наборы.
В 2022 г. сотрудниками НИТУ МИСиС и МФТИ был разработан сверхпроводниковый квантовый чип, позволяющий реализовать операцию CZ с точностью свыше 97%. Микросхема состоит из 5 зарядовых кубитов, из которых для реализации CZ использовалось лишь 4. Выполнение одной логической операции длится 0,025 мкс, что позволяет за время существования квантового состояния выполнить более 3200 операций[1][2].