EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals - гэта еўрапейская праграма сертыфікацыі ІТ па тэарэтычных і практычных аспектах квантавай інфармацыі і квантавых вылічэнняў, заснаваная на законах квантавай фізікі, а не класічнай фізікі, і якая прапануе якасныя перавагі ў параўнанні з іх класічнымі аналагамі.
Навучальны план Асновы квантавай інфармацыі EITC/QI/QIF ахоплівае ўвядзенне ў квантовую механіку (уключаючы разгляд эксперыменту з падвойнымі шчылінамі і інтэрферэнцыі хвалі матэрыі), увядзенне ў квантовую інфармацыю (кубіты і іх геаметрычнае прадстаўленне), палярызацыю святла, прынцып нявызначанасці, квант заблытанасць, парадокс ЭПР, парушэнне няроўнасці Бэла, адмова ад лакальнага рэалізму, квантавая апрацоўка інфармацыі (уключаючы ўнітарнае пераўтварэнне, аднакубітныя і двухкубітныя вароты), тэарэма аб некланіраванні, квантавая тэлепартацыя, квантавыя вымярэння, квантавыя вылічэнні (уключаючы ўвядзенне ў мульты -кубітныя сістэмы, універсальнае сямейства варотаў, зварачальнасць вылічэнняў), квантавыя алгарытмы (уключаючы квантавыя пераўтварэнні Фур'е, алгарытм Саймана, пашыраны тэзіс Чара-Т'юрынга, алгарытм квантавага фактарынгу Шорка, алгарытм квантавага пошуку Гровера, квантавы алгарытм абсервацыі, Squantum, Рэалізацыі кубітаў, квантавая тэорыя складанасці, адыябатычныя квантавыя вылічэнні ion, BQP, увядзенне ў спін, у рамках наступнай структуры, якая ўключае поўнае відэадыдактычнае змест у якасці эталона для гэтай сертыфікацыі EITC.
Квантавая інфармацыя — інфармацыя аб стане квантавай сістэмы. Гэта асноўны аб'ект даследавання ў квантавай тэорыі інфармацыі, і ім можна маніпуляваць з дапамогай метадаў квантавай апрацоўкі інфармацыі. Квантавая інфармацыя адносіцца як да тэхнічнага вызначэння ў тэрмінах энтрапіі фон Неймана, так і да агульнага вылічальнага тэрміна.
Квантавая інфармацыя і вылічэнні - гэта міждысцыплінарная вобласць, якая ўключае ў сябе квантавую механіку, інфарматыку, тэорыю інфармацыі, філасофію і крыптаграфію сярод іншых абласцей. Яго вывучэнне таксама мае дачыненне да такіх дысцыплін, як кагнітыўная навука, псіхалогія і неўралогіі. Яго асноўная ўвага - выманне інфармацыі з матэрыі ў мікраскапічным маштабе. Назіранне ў навуцы з'яўляецца фундаментальным адметным крытэрыем рэчаіснасці і адным з найважнейшых спосабаў атрымання інфармацыі. Такім чынам, вымярэнне патрабуецца для колькаснай ацэнкі назірання, што робіць яго вырашальным для навуковага метаду. У квантавай механіцы, з-за прынцыпу нявызначанасці, некаммутуюць назіральныя не могуць быць дакладна вымераныя адначасова, паколькі ўласнае стан у адным аснове не з'яўляецца ўласным станам у іншым. Паколькі абедзве зменныя не адначасова дакладна вызначаны, квантавы стан ніколі не можа ўтрымліваць канчатковую інфармацыю аб абедзвюх зменных. Дзякуючы гэтай фундаментальнай уласцівасці вымярэння ў квантавай механіцы гэтую тэорыю можна ў цэлым ахарактарызаваць як недэтэрмінаваную, у адрозненне ад класічнай механікі, якая цалкам дэтэрмінаваная. Індэтэрмінізм квантавых станаў характарызуе інфармацыю, якая вызначаецца як стану квантавых сістэм. У матэматычным плане гэтыя станы знаходзяцца ў суперпазіцыях (лінейных камбінацыях) станаў класічных сістэм.
Паколькі інфармацыя заўсёды закадаваная ў стане фізічнай сістэмы, яна сама па сабе фізічная. У той час як квантавая механіка займаецца вывучэннем уласцівасцяў матэрыі на мікраскапічным узроўні, квантавая інфарматыка факусуюць на здабыванні інфармацыі з гэтых уласцівасцяў, а квантавыя вылічэнні маніпулююць і апрацоўваюць квантавую інфармацыю - выконваюць лагічныя аперацыі - з выкарыстаннем метадаў апрацоўкі квантавай інфармацыі.
Квантавую інфармацыю, як і класічную інфармацыю, можна апрацоўваць з дапамогай кампутараў, перадаваць з аднаго месца ў іншае, маніпуляваць з дапамогай алгарытмаў і аналізаваць з дапамогай інфарматыкі і матэматыкі. Гэтак жа, як асноўнай адзінкай класічнай інфармацыі з'яўляецца біт, квантавая інфармацыя мае справу з кубітамі, якія могуць існаваць у суперпазіцыі 0 і 1 (адначасова з'яўляючыся ў пэўнай ступені праўдзівай і ілжывай). Квантавая інфармацыя таксама можа існаваць у так званых заблытаных станах, якія выяўляюць чыста некласічныя нелакальныя карэляцыі ў сваіх вымярэннях, што дазваляе выкарыстоўваць такія прыкладання, як квантавая тэлепартацыя. Узровень заблытанасці можна вымераць з дапамогай энтрапіі фон Неймана, якая таксама з'яўляецца мерай квантавай інфармацыі. У апошні час вобласць квантавых вылічэнняў стала вельмі актыўнай даследчай сферай з-за магчымасці парушыць сучасныя вылічэнні, сувязь і крыптаграфію.
Гісторыя квантавай інфармацыі пачалася на мяжы 20-га стагоддзя, калі класічная фізіка ператварылася ў квантавую фізіку. Тэорыі класічнай фізікі прадказвалі такія абсурды, як ультрафіялетавая катастрофа, або электроны, якія спіралі ў ядро. Спачатку гэтыя праблемы былі адкінуты ў бок, дадаўшы ў класічную фізіку спецыяльную гіпотэзу. Неўзабаве стала відавочна, што для таго, каб разабрацца ў гэтых абсурдах, неабходна стварыць новую тэорыю, і нарадзілася тэорыя квантавай механікі.
Квантавая механіка была сфармулявана Шродынгерам з выкарыстаннем хвалевай механікі і Гейзенбергам з выкарыстаннем матрычнай механікі. Эквівалентнасць гэтых метадаў была даказана пазней. Іх фармулёўкі апісвалі дынаміку мікраскапічных сістэм, але мелі некалькі нездавальняючых аспектаў пры апісанні працэсаў вымярэнняў. Фон Нойман сфармуляваў квантавую тэорыю з выкарыстаннем аператарнай алгебры такім чынам, што яна апісвала вымярэнне, а таксама дынаміку. Гэтыя даследаванні падкрэслівалі філасофскія аспекты вымярэння, а не колькасны падыход да здабывання інфармацыі з дапамогай вымярэнняў.
У 1960-х Стратановіч, Хельстром і Гордан прапанавалі фармулёўку аптычных сувязяў з выкарыстаннем квантавай механікі. Гэта было першае гістарычнае з'яўленне квантавай тэорыі інфармацыі. У асноўным яны вывучалі верагоднасць памылак і прапускную здольнасць канала сувязі. Пазней Holevo атрымаў верхнюю мяжу хуткасці сувязі пры перадачы класічнага паведамлення па квантавым канале.
У 1970-я гады пачалі распрацоўвацца метады маніпулявання аднаатамнымі квантавымі станамі, такія як атамная пастка і сканавальны тунэльны мікраскоп, якія дазваляюць ізаляваць асобныя атамы і размяшчаць іх у масівах. Да гэтых распрацовак дакладны кантроль над адзінкавымі квантавымі сістэмамі быў немагчымым, і ў эксперыментах выкарыстоўваўся больш грубы, адначасовы кантроль над вялікай колькасцю квантавых сістэм. Распрацоўка жыццяздольных метадаў маніпуляцыі з адным станам прывяла да павышэння цікавасці да вобласці квантавай інфармацыі і вылічэнняў.
У 1980-х гадах узнікла цікавасць да таго, ці можна выкарыстоўваць квантавыя эфекты для абвяржэння тэорыі адноснасці Эйнштэйна. Калі б можна было кланаваць невядомае квантавыя станы, можна было б выкарыстоўваць заблытаныя квантавыя стану для перадачы інфармацыі хутчэй, чым хуткасць святла, што аспрэчвае тэорыю Эйнштэйна. Аднак тэарэма аб адсутнасці кланавання паказала, што такое кланаванне немагчыма. Тэарэма была адным з першых вынікаў квантавай тэорыі інфармацыі.
Распрацоўка з крыптаграфіі
Нягледзячы на ўсё хваляванне і цікавасць да вывучэння ізаляваных квантавых сістэм і спробы знайсці спосаб абыйсці тэорыю адноснасці, даследаванні ў квантавай тэорыі інфармацыі заставаліся ў стагнацыі ў 1980-х. Аднак прыкладна ў той жа час квантавай інфармацыяй і вылічэннямі пачаў займацца іншы шлях: крыптаграфія. У агульным сэнсе крыптаграфія - гэта праблема камунікацыі або вылічэнняў з удзелам двух або больш бакоў, якія могуць не давяраць адзін аднаму.
Бэнэт і Брасард распрацавалі канал сувязі, па якім немагчыма праслухоўваць без выяўлення, спосаб таемнай сувязі на вялікіх адлегласцях з выкарыстаннем квантава-крыптаграфічнага пратаколу BB84. Ключавой ідэяй было выкарыстанне фундаментальнага прынцыпу квантавай механікі, што назіранне перашкаджае назіранаму, а ўвядзенне праслухоўшчыка ў абароненую лінію сувязі неадкладна дазволіць двум бакам, якія спрабуюць мець зносіны, даведацца аб прысутнасці праслухоўвальніка.
Развіццё з інфарматыкі і матэматыкі
З з'яўленнем рэвалюцыйных ідэй Алана Ц'юрынга аб праграмаваным кампутары або машыне Ц'юрынга ён паказаў, што любыя рэальныя вылічэнні можна перавесці ў эквівалентныя вылічэнні з выкарыстаннем машыны Ц'юрынга. Гэта вядома як тэзіс Чэрча-Цьюрынга.
Даволі хутка былі зроблены першыя кампутары, і камп'ютэрнае абсталяванне расло такімі хуткімі тэмпамі, што рост, дзякуючы вопыту ў вытворчасці, быў кадыфікаваны ў эмпірычную залежнасць, званую законам Мура. Гэты «закон» з'яўляецца праектыўнай тэндэнцыяй, якая сцвярджае, што колькасць транзістараў у інтэгральнай схеме падвойваецца кожныя два гады. Паколькі транзістары сталі станавіцца ўсё менш і менш, каб спакаваць больш магутнасці на плошчу паверхні, квантавыя эфекты пачалі праяўляцца ў электроніцы, што прывяло да ненаўмысных перашкод. Гэта прывяло да з'яўлення квантавых вылічэнняў, якія выкарыстоўвалі квантавую механіку для распрацоўкі алгарытмаў.
На дадзены момант квантавыя кампутары паказалі, што яны будуць значна хутчэй, чым класічныя кампутары для некаторых канкрэтных задач. Адзін з такіх прыкладаў праблемы быў распрацаваны Дэвідам Дойчам і Рычардам Джозам, вядомы як алгарытм Дойча-Йозы. Аднак гэтая праблема практычна не мела практычнага прымянення. Пётр Шор у 1994 годзе выступіў з вельмі важнай і практычнай задачай, адной з пошукаў простых множнікаў цэлага ліку. Задача дыскрэтнага лагарыфма, як яе называлі, можа быць эфектыўна вырашана на квантавым кампутары, але не на класічным кампутары, што паказвае, што квантавыя кампутары больш магутныя, чым машыны Цьюрынга.
Развіццё з тэорыі інфармацыі
Прыкладна ў той час, калі інфарматыка рабіла рэвалюцыю, так і тэорыя інфармацыі і камунікацыі праз Клода Шэнана. Шэнан распрацаваў дзве фундаментальныя тэарэмы тэорыі інфармацыі: тэарэму бесшумнага кадавання канала і тэарэму кадавання шумоўнага канала. Ён таксама паказаў, што коды для выпраўлення памылак могуць быць выкарыстаны для абароны адпраўляемай інфармацыі.
Квантавая тэорыя інфармацыі таксама прытрымлівалася падобнай траекторыі, Бэн Шумахер у 1995 годзе зрабіў аналаг бясшумнай тэарэмы Шэнана аб кадаванні з выкарыстаннем кубіта. Таксама распрацавана тэорыя выпраўлення памылак, якая дазваляе квантавым кампутарам рабіць эфектыўныя вылічэнні незалежна ад шуму і надзейную сувязь па шумных квантавых каналах.
Кубіты і тэорыя інфармацыі
Квантавая інфармацыя моцна адрозніваецца ад класічнай інфармацыі, якая ўвасабляецца бітам, шматлікімі дзіўнымі і незнаёмымі спосабамі. У той час як асноўнай адзінкай класічнай інфармацыі з'яўляецца біт, самай асноўнай адзінкай квантавай інфармацыі з'яўляецца кубіт. Класічная інфармацыя вымяраецца з дапамогай энтрапіі Шэнана, у той час як квантавамеханічны аналаг - энтрапія фон Неймана. Статыстычны ансамбль квантава-механічных сістэм характарызуецца матрыцай шчыльнасці. Многія меры энтрапіі ў класічнай тэорыі інфармацыі таксама можна абагульніць на квантавы выпадак, напрыклад, энтрапію Холева і ўмоўную квантавую энтрапію.
У адрозненне ад класічных лічбавых станаў (якія з'яўляюцца дыскрэтнымі), кубіт з'яўляецца бесперапынным, апісваецца кірункам на сферы Блоха. Нягледзячы на бесперапыннае ацэнку такім чынам, кубіт з'яўляецца найменшай магчымай адзінкай квантавай інфармацыі, і нягледзячы на тое, што стан кубіта бесперапынны, немагчыма дакладна вымераць гэта значэнне. Пяць вядомых тэарэм апісваюць межы маніпулявання квантавай інфармацыяй:
- тэарэма аб адсутнасці тэлепартацыі, якая сцвярджае, што кубіт не можа быць (цалкам) пераўтвораны ў класічныя біты; гэта значыць, яго нельга цалкам «прачытаць»,
- тэарэма аб адсутнасці кланавання, якая прадухіляе капіраванне адвольнага кубіта,
- тэарэма без выдалення, якая прадухіляе выдаленне адвольнага кубіта,
- тэарэма аб адсутнасці вяшчання, якая прадухіляе дастаўку адвольнага кубіта множным атрымальнікам, хоць яго можна перавозіць з месца на месца (напрыклад, з дапамогай квантавай тэлепартацыі),
- Тэарэма не хавання, якая дэманструе захаванне квантавай інфармацыі,
Квантавая апрацоўка інфармацыі
Стан кубіта змяшчае ўсю яго інфармацыю. Гэты стан часта выяўляецца як вектар на сферы Блоха. Гэты стан можна змяніць, ужываючы да іх лінейныя пераўтварэнні або квантавыя вароты. Гэтыя унітарныя пераўтварэнні апісваюцца як ратацыі на сферы Блоха. У той час як класічныя вароты адпавядаюць знаёмым аперацыям булевай логікі, квантавыя вароты з'яўляюцца фізічнымі унітарнымі аператарамі.
З-за няўстойлівасці квантавых сістэм і немагчымасці капіявання станаў захоўванне квантавай інфармацыі значна складаней, чым захоўванне класічнай інфармацыі. Тым не менш, з выкарыстаннем квантавай карэкцыі памылак квантавая інфармацыя ўсё яшчэ можа быць надзейна захавана ў прынцыпе. Існаванне квантавых кодаў выпраўлення памылак таксама прывяло да магчымасці адмоваўстойлівых квантавых вылічэнняў.
Класічныя біты могуць быць закадзіраваны ў і пасля атрыманы з канфігурацый кубітаў з дапамогай квантавых варотаў. Сам па сабе адзін кубіт можа перадаць не больш за адзін біт даступнай класічнай інфармацыі аб яго падрыхтоўцы. Гэта тэарэма Холева. Аднак пры звышшчыльным кадаванні адпраўнік, дзейнічаючы на адзін з двух заблытаных кубітаў, можа перадаць два біта даступнай інфармацыі аб іх сумесным стане атрымальніку.
Квантавую інфармацыю можна перамяшчаць па квантавым канале, аналагічна канцэпцыі класічнага канала сувязі. Квантавыя паведамленні маюць канечны памер, які вымяраецца ў кубітах; квантавыя каналы маюць канчатковую прапускную здольнасць, якая вымяраецца ў кубітах у секунду.
Квантавую інфармацыю і змены ў квантавай інфармацыі можна колькасна вымераць з дапамогай аналага энтрапіі Шэнана, які называецца энтрапіяй фон Неймана.
У некаторых выпадках квантавыя алгарытмы могуць быць выкарыстаны для выканання вылічэнняў хутчэй, чым у любым вядомым класічным алгарытме. Самым вядомым прыкладам гэтага з'яўляецца алгарытм Шора, які можа фактары лікаў за паліномны час, у параўнанні з лепшымі класічнымі алгарытмамі, якія прымаюць субэкспанентны час. Паколькі фактарызацыя з'яўляецца важнай часткай бяспекі шыфравання RSA, алгарытм Шора выклікаў новую вобласць постквантавай крыптаграфіі, якая спрабуе знайсці схемы шыфравання, якія застаюцца ў бяспецы, нават калі ў гульні дзейнічаюць квантавыя кампутары. Іншыя прыклады алгарытмаў, якія дэманструюць квантавую перавагу, уключаюць алгарытм пошуку Гровера, дзе квантавы алгарытм дае квадратнае паскарэнне ў параўнанні з найлепшым магчымым класічным алгарытмам. Клас складанасці задач, эфектыўна вырашаемых квантавым кампутарам, вядомы як BQP.
Квантавае размеркаванне ключоў (QKD) дазваляе безумоўна бяспечную перадачу класічнай інфармацыі, у адрозненне ад класічнага шыфравання, якое заўсёды можа быць парушана ў прынцыпе, калі не на практыцы. Звярніце ўвагу, што некаторыя тонкія моманты, якія тычацца бяспекі QKD, усё яшчэ вядуцца вострымі спрэчкамі.
Вывучэнне ўсіх вышэйпералічаных тэм і адрозненняў ўключае ў сябе квантавую тэорыю інфармацыі.
Адносіны да квантавай механікі
Квантавая механіка - гэта вывучэнне таго, як мікраскапічныя фізічныя сістэмы дынамічна змяняюцца ў прыродзе. У галіне квантавай тэорыі інфармацыі квантавыя сістэмы, якія вывучаюцца, абстрагуюцца ад любога аналага ў рэальным свеце. Кубіт можа, напрыклад, фізічна быць фатонам у лінейна-аптычным квантавым кампутары, іёнам у захопленым іённым квантавым кампутары, або гэта можа быць вялікая калекцыя атамаў, як у звышправодным квантавым кампутары. Незалежна ад фізічнай рэалізацыі, абмежаванні і асаблівасці кубітаў, якія вынікаюць з квантавай тэорыі інфармацыі, захоўваюцца, паколькі ўсе гэтыя сістэмы матэматычна апісваюцца адным і тым жа апаратам матрыц шчыльнасці над комплекснымі лікамі. Яшчэ адно важнае адрозненне ад квантавай механікі заключаецца ў тым, што, у той час як квантавая механіка часта вывучае бясконцамерныя сістэмы, такія як гарманічны асцылятар, квантавая тэорыя інфармацыі тычыцца як сістэм з бесперапыннымі зменнымі, так і канчатковамерных сістэм.
Квантавыя вылічэнні
Квантавыя вылічэнні — гэта тып вылічэнняў, які выкарыстоўвае калектыўныя ўласцівасці квантавых станаў, такія як суперпазіцыя, інтэрферэнцыя і заблытанасць, для выканання вылічэнняў. Прылады, якія выконваюць квантавыя вылічэнні, вядомыя як квантавыя кампутары.: I-5 Нягледзячы на тое, што сучасныя квантавыя кампутары занадта малыя, каб пераўзыходзіць звычайныя (класічныя) кампутары для практычных прыкладанняў, лічыцца, што яны здольныя вырашаць пэўныя вылічальныя праблемы, такія як разкладанне цэлых лікаў (што ляжыць у аснове шыфравання RSA), значна хутчэй, чым класічныя кампутары. Вывучэнне квантавых вылічэнняў з'яўляецца раздзелам квантавай інфармацыі.
Квантавыя вылічэнні пачаліся ў 1980 годзе, калі фізік Пол Беньяф прапанаваў квантава-механічную мадэль машыны Ц'юрынга. Пазней Рычард Фейнман і Юрый Манін выказалі здагадку, што квантавы кампутар можа мадэляваць рэчы, якія класічны кампутар не можа зрабіць. У 1994 годзе Пітэр Шор распрацаваў квантавы алгарытм для разкладання цэлых лікаў з патэнцыялам расшыфроўкі камунікацый, зашыфраваных RSA. У 1998 годзе Ісаак Чуанг, Ніл Гершэнфельд і Марк Кубінец стварылі першы двухкубітны квантавы кампутар, які мог выконваць вылічэнні. Нягледзячы на пастаянны эксперыментальны прагрэс з канца 1990-х гадоў, большасць даследчыкаў лічаць, што «адмоўныя квантавыя вылічэнні [з'яўляюцца] усё яшчэ даволі далёкай марай». У апошнія гады павялічыліся інвестыцыі ў даследаванні квантавых вылічэнняў у дзяржаўным і прыватным сектарах. 23 кастрычніка 2019 года Google AI у партнёрстве з Нацыянальным упраўленнем па аэранаўтыцы і космасе ЗША (NASA) заявіла, што правяла квантавыя вылічэнні, якія былі невыканальныя на любым класічным кампутары, але пытанне аб тым, было гэта сцвярджэнне ці застаецца сапраўдным, - гэта тэма. актыўныя даследаванні.
Існуе некалькі тыпаў квантавых кампутараў (таксама вядомых як квантавыя вылічальныя сістэмы), уключаючы мадэль квантавай схемы, квантавую машыну Цьюрынга, адыябатычны квантавы кампутар, аднабаковы квантавы кампутар і розныя квантавыя клетачныя аўтаматы. Найбольш шырока выкарыстоўванай мадэллю з'яўляецца квантавая схема, заснаваная на квантавым біце, або «кубіт», які ў нечым аналагічны біту ў класічных вылічэннях. Кубіт можа знаходзіцца ў квантавым стане 1 або 0 або ў суперпазіцыі станаў 1 і 0. Аднак, калі ён вымяраецца, ён заўсёды роўны 0 або 1; верагоднасць таго ці іншага зыходу залежыць ад квантавага стану кубіта непасрэдна перад вымярэннем.
Намаганні па стварэнні фізічнага квантавага кампутара сканцэнтраваны на такіх тэхналогіях, як трансмоны, іённыя пасткі і тапалагічныя квантавыя кампутары, якія накіраваны на стварэнне высакаякасных кубітаў.: 2–13 Гэтыя кубіты могуць быць распрацаваны па-рознаму, у залежнасці ад поўнай вылічальнай мадэлі квантового кампутара, будзь то квантавыя лагічныя вароты, квантавы адпал або адыябатычныя квантавыя вылічэнні. У цяперашні час існуе шэраг істотных перашкод для пабудовы карысных квантавых кампутараў. Асабліва цяжка падтрымліваць квантавыя стану кубітаў, паколькі яны пакутуюць ад квантавай дэкагерэнтнасці і вернасці стану. Таму квантавыя кампутары патрабуюць выпраўлення памылак.
Любая вылічальная задача, якую можна вырашыць з дапамогай класічнага кампутара, таксама можа быць вырашана квантавым кампутарам. І наадварот, любая задача, якую можна вырашыць з дапамогай квантавага кампутара, таксама можа быць вырашана класічным кампутарам, прынамсі, у прынцыпе, калі дастаткова часу. Іншымі словамі, квантавыя кампутары падпарадкоўваюцца тэзісу Чэрча-Тьюрынга. Гэта азначае, што ў той час як квантавыя кампутары не даюць дадатковых пераваг перад класічнымі кампутарамі з пункту гледжання вылічальнасці, квантавыя алгарытмы для некаторых задач маюць значна меншую часовую складанасць, чым адпаведныя вядомыя класічныя алгарытмы. Варта адзначыць, што квантавыя кампутары, як мяркуюць, здольныя хутка вырашаць пэўныя праблемы, якія ніводзін класічны кампутар не можа вырашыць за любы магчымы прамежак часу - подзвіг, вядомы як «квантавая перавага». Вывучэнне вылічальнай складанасці задач у дачыненні да квантавых кампутараў вядома як квантавая тэорыя складанасці.
Пераважная мадэль квантавых вылічэнняў апісвае вылічэнні ў тэрмінах сеткі квантавых лагічных варотаў. Гэтую мадэль можна разглядаць як абстрактнае лінейна-алгебраічнае абагульненне класічнай схемы. Паколькі гэтая мадэль схемы падпарадкоўваецца квантавай механіцы, квантавы кампутар, здольны эфектыўна працаваць з гэтымі схемамі, лічыцца фізічна рэалізуемым.
Памяць, якая складаецца з n бітаў інфармацыі, мае 2^n магчымых станаў. Такім чынам, вектар, які прадстаўляе ўсе стану памяці, мае 2^n запісаў (па адным для кожнага стану). Гэты вектар разглядаецца як вектар верагоднасці і ўяўляе той факт, што памяць трэба знайсці ў пэўным стане.
У класічным разуменні адзін запіс будзе мець значэнне 1 (г.зн. 100% верагоднасць знаходжання ў гэтым стане), а ўсе астатнія запісы будуць роўныя нулю.
У квантавай механіцы вектары верагоднасці могуць быць абагульнены да аператараў шчыльнасці. Фармалізм квантавага вектару стану звычайна ўводзіцца першым, таму што ён канцэптуальна прасцей, і таму што яго можна выкарыстоўваць замест фармалізму матрыцы шчыльнасці для чыстых станаў, дзе вядомая ўся квантавая сістэма.
квантавыя вылічэнні можна апісаць як сетку квантавых лагічных варот і вымярэнняў. Тым не менш, любое вымярэнне можа быць адкладзена да канца квантавых вылічэнняў, хоць гэта адтэрміноўка можа прыйсці да выліковых выдаткаў, таму большасць квантавых схем адлюстроўваюць сетку, якая складаецца толькі з квантавых лагічных варотаў і без вымярэнняў.
Любыя квантавыя вылічэнні (якія ў прыведзеным вышэй фармалізме з'яўляюцца любой унітарнай матрыцай па n кубітаў) можна прадставіць у выглядзе сеткі квантавых лагічных варотаў з даволі невялікага сямейства варотаў. Выбар сямейства варот, які дазваляе гэтую канструкцыю, вядомы як універсальны набор варот, паколькі кампутар, які можа запускаць такія схемы, з'яўляецца універсальным квантавым кампутарам. Адзін агульны такі набор уключае ўсе аднакубітныя вароты, а таксама вароты CNOT зверху. Гэта азначае, што любыя квантавыя вылічэнні могуць быць выкананы шляхам выканання паслядоўнасці варотаў з адным кубітам разам з варотамі CNOT. Нягледзячы на тое, што гэта мноства варот бясконцае, яго можна замяніць канечным мноствам варотаў, звяртаючыся да тэарэмы Салавая-Кітаева.
Квантовыя алгарытмы
Прагрэс у пошуку квантавых алгарытмаў звычайна факусуюць на гэтай мадэлі квантавай схемы, хоць існуюць выключэнні, такія як квантава-адыябатычны алгарытм. Квантавыя алгарытмы можна прыблізна класіфікаваць па тыпу паскарэння, які дасягаецца ў параўнанні з адпаведнымі класічнымі алгарытмамі.
Квантавыя алгарытмы, якія прапануюць больш, чым паліномнае паскарэнне ў параўнанні з самым вядомым класічным алгарытмам, уключаюць алгарытм Шора для разкладання на множнікі і звязаныя з ім квантавыя алгарытмы для вылічэння дыскрэтных лагарыфмаў, вырашэння ўраўнення Пела і больш агульнага рашэння задачы схаваных падгруп для абелевых канечных груп. Гэтыя алгарытмы залежаць ад прымітыва квантавага пераўтварэння Фур'е. Не знойдзена ніякага матэматычнага доказу, які б паказаў, што гэтак жа хуткі класічны алгарытм немагчыма выявіць, хоць гэта лічыцца малаверагодным. знаходзіцца ў квантавай мадэлі запытаў, якая з'яўляецца мадэллю з абмежаванымі магчымасцямі, дзе ніжнія межы значна прасцей даказаць і не абавязкова прыводзяць да паскарэння практычных задач.
Іншыя праблемы, у тым ліку мадэляванне квантавых фізічных працэсаў з хіміі і фізікі цвёрдага цела, набліжэнне некаторых паліномаў Джонса і квантавы алгарытм для лінейных сістэм ураўненняў, маюць квантавыя алгарытмы, якія, як уяўляецца, даюць суперпаліномныя паскарэння і з'яўляюцца BQP-поўнымі. Паколькі гэтыя задачы з'яўляюцца BQP-поўнымі, аднолькава хуткі класічны алгарытм для іх будзе азначаць, што ні адзін квантавы алгарытм не дае суперпаліномнага паскарэння, якое лічыцца малаверагодным.
Некаторыя квантавыя алгарытмы, такія як алгарытм Гровера і амплітуднае ўзмацненне, даюць паліноміяльнае паскарэнне ў параўнанні з адпаведнымі класічнымі алгарытмамі. Нягледзячы на тое, што гэтыя алгарытмы даюць параўнальна сціплае квадратычнае паскарэнне, яны шырока прымяняюцца і, такім чынам, даюць паскарэнне для шырокага кола задач. Многія прыклады даказальных квантавых паскарэнняў для задач запыту звязаны з алгарытмам Гровера, у тым ліку алгарытм Брасарда, Хёера і Тапа для пошуку сутыкненняў у функцыях два-да-адзін, які выкарыстоўвае алгарытм Гровера і алгарытм Фархі, Голдстоуна і Гутмана для ацэнкі NAND дрэвы, што з'яўляецца варыянтам задачы пошуку.
Крыптаграфічныя дадаткі
Значнае прымяненне квантавых вылічэнняў з'яўляецца для нападаў на крыптаграфічныя сістэмы, якія ў цяперашні час выкарыстоўваюцца. Разкладанне на множнікі, якое ляжыць у аснове бяспекі крыптаграфічных сістэм з адкрытым ключом, лічыцца невыканальным з вылічэнняў на звычайным кампутары для вялікіх цэлых лікаў, калі яны з'яўляюцца здабыткам некалькіх простых лікаў (напрыклад, творы двух простых 300-значных лікаў). Для параўнання, квантавы кампутар мог бы эфектыўна вырашыць гэтую праблему, выкарыстоўваючы алгарытм Шора, каб знайсці яе фактары. Гэтая здольнасць дазволіла б квантавым камп'ютэрам зламаць многія крыптаграфічныя сістэмы, якія выкарыстоўваюцца сёння, у тым сэнсе, што існаваў бы алгарытм паліноміальнага часу (у колькасці лічбаў цэлага ліку) для вырашэння задачы. У прыватнасці, большасць папулярных шыфраў з адкрытым ключом заснаваныя на складанасці разкладання цэлых лікаў на множнікі або на задачы дыскрэтнага лагарыфма, абодва з якіх могуць быць вырашаны алгарытмам Шора. У прыватнасці, алгарытмы Дыфі-Хелмана RSA, Дыфі-Хелмана і эліптычная крывая могуць быць парушаныя. Яны выкарыстоўваюцца для абароны абароненых вэб-старонак, зашыфраванай электроннай пошты і многіх іншых тыпаў даных. Іх парушэнне будзе мець значныя наступствы для электроннай прыватнасці і бяспекі.
Выяўленне крыптаграфічных сістэм, якія могуць быць абароненымі ад квантавых алгарытмаў, з'яўляецца тэмай, якая актыўна даследуецца ў галіне постквантавай крыптаграфіі. Некаторыя алгарытмы з адкрытым ключом заснаваныя на праблемах, іншых, чым праблема разьлічэньня на множнікі і дыскрэтнага лагарыфма, да якіх прымяняецца алгарытм Шора, як крыптасістэма Мак-Эліса, заснаваная на праблеме тэорыі кадавання. Таксама вядома, што крыптасістэмы, заснаваныя на рашотцы, не парушаюцца квантавымі кампутарамі, і пошук алгарытму паліномнага часу для вырашэння задачы двухэдральнай схаванай падгрупы, якая б зламала многія крыптасістэмы на аснове рашоткі, з'яўляецца добра вывучанай адкрытай праблемай. Было даказана, што прымяненне алгарытму Гровера для ўзлому сіметрычнага (сакрэтнага ключа) алгарытму грубай сілай патрабуе часу, роўнага прыблізна 2n/2 выклікаў асноўнага крыптаграфічнага алгарытму, у параўнанні з прыкладна 2n у класічным выпадку, што азначае, што сіметрычныя даўжыні ключа складаюць фактычна ўдвая: AES-256 будзе мець такую ж бяспеку ад атакі з выкарыстаннем алгарытму Гровера, што і AES-128 супраць класічнага пошуку грубай сілы (гл. Памер ключа).
Квантавая крыптаграфія патэнцыйна можа выконваць некаторыя функцыі крыптаграфіі з адкрытым ключом. Такім чынам, заснаваныя на квантах крыптаграфічныя сістэмы могуць быць больш бяспечнымі, чым традыцыйныя сістэмы ад квантавага ўзлому.
Праблемы з пошукам
Найбольш вядомым прыкладам праблемы, якая дапускае паліноміяльнае квантавае паскарэнне, з'яўляецца неструктураваны пошук, пошук пазначанага элемента са спісу з n элементаў у базе даных. Гэта можа быць вырашана з дапамогай алгарытму Гровера, выкарыстоўваючы O(sqrt(n)) запытаў да базы дадзеных, у квадраты менш, чым запытаў Omega(n), неабходных для класічных алгарытмаў. У гэтым выпадку перавага з'яўляецца не толькі доказнай, але і аптымальнай: было паказана, што алгарытм Гровера дае максімальна магчымую верагоднасць знаходжання патрэбнага элемента для любой колькасці пошукаў аракула.
Праблемы, якія можна вырашыць з дапамогай алгарытму Гровера, маюць наступныя ўласцівасці:
- У калекцыі магчымых адказаў няма структуры для пошуку,
- Колькасць магчымых адказаў для праверкі супадае з колькасцю ўваходных дадзеных у алгарытм і
- Існуе лагічная функцыя, якая ацэньвае кожны ўваход і вызначае, ці з'яўляецца гэта правільным адказам
Для задач з усімі гэтымі ўласцівасцямі час выканання алгарытму Гровера на квантавым кампутары маштабуецца як квадратны корань з колькасці ўваходных дадзеных (або элементаў у базе даных), у адрозненне ад лінейнага маштабавання класічных алгарытмаў. Агульным класам задач, да якіх можа быць ужыты алгарытм Гровера, з'яўляецца задача булева выканальнасці, дзе база дадзеных, праз якую выконвае алгарытм, з'яўляецца адной з усіх магчымых адказаў. Прыкладам і (магчымым) прымяненнем гэтага з'яўляецца праграма для ўзлому пароляў, якая спрабуе адгадаць пароль. Сіметрычныя шыфры, такія як Triple DES і AES, асабліва ўразлівыя да такога роду нападаў.
Мадэляванне квантавых сістэм
Паколькі хімія і нанатэхналогіі абапіраюцца на разуменне квантавых сістэм, а такія сістэмы немагчыма эфектыўна змадэляваць класічным спосабам, многія лічаць, што квантавае мадэляванне стане адным з найбольш важных прыкладанняў квантавых вылічэнняў. Квантавае мадэляванне таксама можа быць выкарыстана для мадэлявання паводзін атамаў і часціц у незвычайных умовах, такіх як рэакцыі ўнутры калайдара. Квантавае мадэляванне можа быць выкарыстана для прагназавання будучых шляхоў руху часціц і пратонаў пад суперпазіцыяй у эксперыменце з падвойнымі шчылінамі. прамысловасць угнаенняў, у той час як натуральныя арганізмы таксама вырабляюць аміяк. Квантавае мадэляванне можа быць выкарыстана, каб зразумець гэты працэс павелічэння вытворчасці.
Квантавы адпал і адыябатычная аптымізацыя
Квантавы адпал або адыябатычныя квантавыя вылічэнні абапіраюцца на адыябатычную тэарэму для правядзення разлікаў. Сістэма змяшчаецца ў асноўным стане для простага гамільтаніана, які павольна ператвараецца ў больш складаны гамільтаніан, асноўны стан якога ўяўляе сабой рашэнне разгляданай праблемы. Адыябатычная тэарэма сцвярджае, што калі эвалюцыя досыць павольная, сістэма будзе заставацца ў сваім асноўным стане ўвесь час на працягу ўсяго працэсу.
навучанне з дапамогай машыны
Паколькі квантавыя кампутары могуць вырабляць вынікі, якія класічныя кампутары не могуць вырабляць эфектыўна, і паколькі квантавыя вылічэнні з'яўляюцца прынцыпова лінейнымі алгебраічнымі, некаторыя выказваюць надзею на распрацоўку квантавых алгарытмаў, якія могуць паскорыць задачы машыннага навучання. Напрыклад, квантавы алгарытм для лінейных сістэм ураўненняў, або «алгарытм HHL», названы ў гонар сваіх першаадкрывальнікаў Харроу, Хасідыма і Лойда, забяспечвае паскарэнне ў параўнанні з класічнымі аналагамі. Некаторыя даследчыя групы нядаўна даследавалі выкарыстанне апаратных сродкаў квантавага адпалу для навучання машын Больцмана і глыбокіх нейронных сетак.
Вылічальная біялогія
У галіне вылічальнай біялогіі квантавыя вылічэнні адыгралі вялікую ролю ў вырашэнні многіх біялагічных задач. Адным з вядомых прыкладаў можа быць вылічальная геноміка і тое, як вылічэнні рэзка скарацілі час на секвенаванне геному чалавека. Улічваючы тое, як вылічальная біялогія выкарыстоўвае агульнае мадэляванне і захоўванне дадзеных, чакаецца, што ўзнікне і яе прымяненне ў вылічальнай біялогіі.
Кампутарнае распрацоўка лекаў і генератыўная хімія
Мадэлі глыбокай генератыўнай хіміі становяцца магутнымі інструментамі для паскарэння адкрыцця лекаў. Аднак велізарныя памеры і складанасць структурнай прасторы ўсіх магчымых лекападобных малекул ствараюць значныя перашкоды, якія ў будучыні могуць быць пераадолены квантавымі кампутарамі. Квантавыя кампутары, натуральна, добрыя для вырашэння складаных квантавых задач з многімі целамі і, такім чынам, могуць быць карыснымі ў прыкладаннях, звязаных з квантавай хіміяй. Такім чынам, можна чакаць, што квантава-ўдасканаленыя генератыўныя мадэлі, уключаючы квантавыя GAN, у канчатковым выніку могуць быць распрацаваны ў канчатковыя алгарытмы генератыўнай хіміі. Гібрыдныя архітэктуры, якія спалучаюць квантавыя кампутары з глыбокімі класічнымі сеткамі, такімі як квантавыя варыяцыйныя аўтаэнкодэры, ужо можна навучаць на камерцыйна даступных адпале і выкарыстоўваць для стварэння новых лекавых малекулярных структур.
Распрацоўка фізічных квантавых кампутараў
Выклікі
Пры стварэнні буйнамаштабнага квантавага кампутара існуе шэраг тэхнічных праблем. Фізік Дэвід ДзіВінчэнца пералічыў гэтыя патрабаванні да практычнага квантавага кампутара:
- Фізічна маштабуецца, каб павялічыць колькасць кубітаў,
- Кубіты, якія можна ініцыялізаваць да адвольных значэнняў,
- Квантавыя вароты, якія хутчэй, чым час дэкагерэнцыі,
- Універсальны набор варот,
- Qubits, якія можна лёгка прачытаць.
Таксама вельмі складана знайсці дэталі для квантавых кампутараў. Многім квантавым камп'ютэрам, накшталт тых, што пабудаваныя Google і IBM, патрэбны гелій-3, пабочны прадукт ядзерных даследаванняў, і спецыяльныя звышправадныя кабелі, вырабленыя толькі японскай кампаніяй Coax Co.
Кіраванне мультыкубітнымі сістэмамі патрабуе генерацыі і каардынацыі вялікай колькасці электрычных сігналаў з строгім і дэтэрмінаваным часавым раздзяленнем. Гэта прывяло да распрацоўкі квантавых кантролераў, якія дазваляюць узаемадзейнічаць з кубітамі. Маштабаванне гэтых сістэм для падтрымкі расце колькасці кубітаў з'яўляецца дадатковай праблемай.
Квантавая дэкагерэнтнасць
Адной з самых вялікіх праблем, звязаных з пабудовай квантавых кампутараў, з'яўляецца кантроль або выдаленне квантавай дэкагерэнтнасці. Звычайна гэта азначае ізаляцыю сістэмы ад навакольнага асяроддзя, паколькі ўзаемадзеянне са знешнім светам прыводзіць да дэкогерыі сістэмы. Аднак існуюць і іншыя крыніцы дэкагерэнтнасці. Прыклады ўключаюць квантавыя вароты, а таксама вібрацыі рашоткі і фонавы тэрмаядзерны спін фізічнай сістэмы, якія выкарыстоўваюцца для рэалізацыі кубітаў. Дэкагерэнтнасць незваротная, так як яна фактычна неунітарная, і звычайна гэта тое, чаго варта кантраляваць, калі не пазбягаць. Час дэкагерэнцыі для сістэм-кандыдатаў, у прыватнасці, час папярочнай рэлаксацыі T2 (для тэхналогій ЯМР і МРТ, таксама званы часам дэфазіравання), звычайна вагаецца ад нанасекунд да секунд пры нізкай тэмпературы. У цяперашні час некаторыя квантавыя кампутары патрабуюць астуджэння іх кубітаў да 20 мілікельвінаў (звычайна з дапамогай халадзільніка для развядзення), каб прадухіліць істотную дэкагерэнтнасць. Даследаванне 2020 года сцвярджае, што іанізуючае выпраменьванне, такое як касмічныя прамяні, можа выклікаць дэкагерацыю некаторых сістэм на працягу мілісекунд.
У выніку працаёмкія задачы могуць зрабіць некаторыя квантавыя алгарытмы непрацаздольнымі, так як падтрыманне стану кубітаў на працягу дастаткова доўгага часу ў канчатковым выніку пашкодзіць суперпазіцыі.
Гэтыя праблемы з'яўляюцца больш складанымі для аптычных падыходаў, паколькі тэрміны на парадкі карацей, і часта цытуецца падыход да іх пераадолення - гэта фарміраванне аптычнага імпульсу. Паказчыкі памылак звычайна прапарцыйныя стаўленню часу працы да часу дэкагерэнцыі, таму любая аперацыя павінна быць завершана значна хутчэй, чым час дэкагерэнцыі.
Як апісана ў квантавай парогавай тэарэме, калі частата памылак досыць малая, лічыцца магчымым выкарыстоўваць квантавую карэкцыю памылак для падаўлення памылак і дэкагерэнцыі. Гэта дазваляе агульны час вылічэнняў быць большым, чым час дэкагерэнцыі, калі схема карэкцыі памылак можа выпраўляць памылкі хутчэй, чым дэкагерэнцыя ўводзіць іх. Часта цытуецца лічба неабходнай колькасці памылак у кожным шлюзе для адмоўна-ўстойлівых вылічэнняў 10-3, пры ўмове, што шум дэпалярызуецца.
Выкананне гэтай умовы маштабаванасці магчыма для шырокага кола сістэм. Аднак выкарыстанне карэкцыі памылак цягне за сабой кошт значна павелічэння колькасці неабходных кубітаў. Колькасць, неабходная для разкладання цэлых лікаў з выкарыстаннем алгарытму Шора, па-ранейшаму паліномная, і лічыцца паміж L і L2, дзе L — колькасць лічбаў у ліку, які падлягае разкладанню; Алгарытмы выпраўлення памылак павялічаць гэтую лічбу на дадатковы каэфіцыент L. Для 1000-бітнага ліку гэта прадугледжвае неабходнасць каля 104 біт без выпраўлення памылак. Пры выпраўленні памылак лічба вырасце прыкладна да 107 біт. Час вылічэння складае каля L2 або каля 107 крокаў і на частаце 1 МГц каля 10 секунд.
Зусім іншы падыход да праблемы стабільнасці-дэкагерэнтнасці заключаецца ў стварэнні тапалагічнага квантавага кампутара з анёнамі, квазічасціцамі, якія выкарыстоўваюцца ў якасці нітак і абапіраючыся на тэорыю кос для фарміравання стабільных лагічных варот.
Квантавая вяршэнства
Квантавае перавага - гэта тэрмін, прыдуманы Джонам Прэскілам, які мае на ўвазе інжынерны подзвіг, які прадэманстраваў, што праграмуемая квантавая прылада можа вырашыць праблему, якая перавышае магчымасці сучасных класічных кампутараў. Праблема не павінна быць карыснай, таму некаторыя разглядаюць тэст на квантавую перавагу толькі як патэнцыйны арыенцір у будучыні.
У кастрычніку 2019 года Google AI Quantum з дапамогай НАСА стаў першым, хто заявіў, што дасягнуў квантавай перавагі, выконваючы вылічэнні на квантавым кампутары Sycamore больш чым у 3,000,000 XNUMX XNUMX разоў хутчэй, чым на саміце, які звычайна лічыцца самым хуткім у свеце. кампутар. Пасля гэтага сцвярджэнне было аспрэчана: IBM заявіла, што Summit можа выконваць выбаркі значна хутчэй, чым заяўлена, і з тых часоў даследчыкі распрацавалі лепшыя алгарытмы для праблемы выбаркі, якая выкарыстоўваецца для прэтэнзіі на квантавае перавага, што дазваляе істотна скараціць або скараціць разрыў паміж Sycamore і Sycamore і класічныя суперкампутары.
У снежні 2020 года група ў USTC рэалізавала тып выбаркі базона на 76 фатонах з дапамогай фатоннага квантавага кампутара Jiuzhang, каб прадэманстраваць квантавае перавага. Аўтары сцвярджаюць, што класічнаму сучаснаму суперкампутару спатрэбіцца час вылічэнняў 600 мільёнаў гадоў, каб стварыць колькасць узораў, якія іх квантавы працэсар можа згенераваць за 20 секунд. 16 лістапада 2021 года на саміце квантавых вылічэнняў IBM прадставіла 127-кубітны мікрапрацэсар пад назвай IBM Eagle.
Фізічныя рэалізацыі
Для фізічнай рэалізацыі квантавага кампутара шукаецца мноства розных кандыдатаў, сярод іх (адрозніваюцца фізічнай сістэмай, якая выкарыстоўваецца для рэалізацыі кубітаў):
- Зверхправодныя квантавыя вылічэнні (кубіт, рэалізаваны станам малых звышправадных ланцугоў, пераходаў Джозэфсана)
- Квантавы кампутар з захопленымі іёнамі (кубіт, рэалізаваны ўнутраным станам захопленых іёнаў)
- Нейтральныя атамы ў аптычных рашотках (кубіт, рэалізаваны ўнутранымі станамі нейтральных атамаў, захопленых у аптычнай рашотцы)
- Квантавы кропкавы кампутар, заснаваны на спіне (напрыклад, квантавы кампутар Loss-DiVincenzo) (кубіт, зададзены спінавымі станамі захопленых электронаў)
- Кампутар з квантавымі кропкамі, прасторавы (кубіт задаецца становішчам электрона ў падвойнай квантавай кропцы)
- Квантавыя вылічэнні з выкарыстаннем спраектаваных квантавых ям, якія ў прынцыпе маглі б дазволіць пабудаваць квантавыя кампутары, якія працуюць пры пакаёвай тэмпературы
- Спалучаны квантавы провад (кубіт, рэалізаваны парай квантавых правадоў, спалучаных квантавым кропкавым кантактам)
- Квантавы кампутар ядзернага магнітнага рэзанансу (NMRQC), рэалізаваны з дапамогай ядзернага магнітнага рэзанансу малекул у растворы, дзе кубіты забяспечваюцца ядзернымі спінамі ўнутры растворанай малекулы і даследуюцца радыёхвалямі
- Цвёрдацельныя ЯМР квантавыя кампутары Кейна (кубіт, рэалізаваны ядзерным спінавым станам донараў фосфару ў крэмніі)
- Квантавыя кампутары «Электроны на геліі» (кубіт - гэта спін электрона)
- Квантавая электрадынаміка паражніны (CQED) (кубіт забяспечваецца ўнутраным станам захопленых атамаў, спалучаных з паражнінамі высокай дакладнасці)
- Малекулярны магніт (кубіт, зададзены спінавымі станамі)
- Квантавы кампутар ESR на аснове фулерэнаў (кубіт, заснаваны на электронным спіне атамаў або малекул, заключаных у фулерэны)
- Нелінейна-аптычны квантавы кампутар (кубіты, рэалізаваныя шляхам апрацоўкі станаў розных рэжымаў святла як праз лінейныя, так і нелінейныя элементы)
- Лінейна-аптычны квантавы кампутар (кубіты, якія рэалізуюцца шляхам апрацоўкі станаў розных рэжымаў святла праз лінейныя элементы, напрыклад, люстэркі, падзельнікі прамяня і фазарухальнікі)
- Квантавы кампутар на аснове алмазаў (кубіт, рэалізаваны электронным або ядзерным спінам цэнтраў вакансій азоту ў алмазе)
- Квантавы кампутар Бозэ-Эйнштэйна на аснове кандэнсату
- Квантавы кампутар на аснове транзістараў - струнныя квантавыя кампутары з захопам станоўчых дзірак з дапамогай электрастатычнай пасткі
- Квантавыя камп'ютары на аснове неарганічных крышталяў, легіраваных іёнамі рэдказямельных металаў (кубіт, рэалізаваны ўнутраным электронным станам допантаў у аптычных валокнах)
- Квантавыя кампутары на аснове металічных вугляродных нанасфер
- Вялікая колькасць кандыдатаў сведчыць аб тым, што квантавыя вылічэнні, нягледзячы на хуткі прагрэс, усё яшчэ знаходзяцца ў зачаткавым стане.
Існуе шэраг квантавых мадэляў вылічэнняў, якія адрозніваюцца асноўнымі элементамі, у якіх адбываецца раскладанне вылічэнняў. Для практычнай рэалізацыі чатыры адпаведныя мадэлі вылічэнняў:
- Масіў квантавых варот (вылічэнне раскладзена на паслядоўнасць квантавых варот з некалькімі кубітамі)
- Аднабаковы квантавы кампутар (вылічэнне, раскладзенае на паслядоўнасць вымярэнняў з адным кубітам, якія прымяняюцца да вельмі заблытанага пачатковага стану або стану кластара)
- Адыябатычны квантавы камп'ютэр, заснаваны на квантавым адпале (вылічэнне раскладаецца на павольнае бесперапыннае пераўтварэнне пачатковага гамільтаніана ў канчатковы гамільтаніан, асноўныя стану якога ўтрымліваюць рашэнне)
- Тапалагічны квантавы камп'ютар (разлік, раскладзены на пляценне анёнаў у 2D-рашотцы)
Квантавая машына Цьюрынга тэарэтычна важная, але фізічная рэалізацыя гэтай мадэлі немагчымая. Было паказана, што ўсе чатыры мадэлі вылічэнняў эквівалентныя; кожны можа мадэляваць іншы з не больш чым паліномнымі накладнымі выдаткамі.
Для дэталёвага азнаямлення з вучэбнай праграмай сертыфікацыі вы можаце разгарнуць і прааналізаваць табліцу ніжэй.
Вучэбная праграма сертыфікацыі па асновах квантавай інфармацыі EITC/QI/QIF спасылаецца на дыдактычныя матэрыялы з адкрытым доступам у відэаформе. Працэс навучання падзелены на пакрокавую структуру (праграмы -> урокі -> тэмы), якая ахоплівае адпаведныя часткі вучэбнай праграмы. Таксама прадастаўляюцца неабмежаваныя кансультацыі з экспертамі па дамене.
Падрабязна пра працэдуру сертыфікацыі глядзіце Як гэта працуе?.
Асноўныя канспекты лекцый
Канспект лекцыі У. Вазірані:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
Дапаможныя канспекты лекцый
Л. Якак і інш. канспект лекцый (з дадатковымі матэрыяламі):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
Асноўны дапаможны падручнік
Падручнік квантавых вылічэнняў і квантавай інфармацыі (Nielsen, Chuang):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
Дадатковыя канспекты лекцый
J. Preskill нататкі лекцыі:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
Канспект лекцыі А. Чайлдса:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
Запісы лекцыі С. Аарансана:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
Рэферат лекцыі Р. дэ Вольфа:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
Іншыя рэкамендаваныя падручнікі
Класічныя і квантавыя вылічэнні (Кітаеў, Шэнь, Вялы)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
Квантавыя вылічэнні з моманту Дэмакрыта (Аарансан)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
Тэорыя квантавай інфармацыі (Ватрус)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
Квантавая тэорыя інфармацыі (Уайлд)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
Спампуйце поўныя афлайн-падрыхтоўчыя матэрыялы для праграмы EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals у фармаце PDF
Падрыхтоўчыя матэрыялы EITC/QI/QIF – стандартная версія
Падрыхтоўчыя матэрыялы EITC/QI/QIF – пашыраная версія з пытаннямі для агляду