
EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals yra Europos IT sertifikavimo programa, skirta teoriniams ir praktiniams kvantinės informacijos ir kvantinio skaičiavimo aspektams, pagrįsta kvantinės fizikos dėsniais, o ne klasikinės fizikos dėsniais ir siūlanti kokybinius pranašumus prieš klasikinius analogus.
EITC/QI/QIF kvantinės informacijos pagrindų mokymo programa apima įvadą į kvantinę mechaniką (įskaitant dvigubo plyšio eksperimento ir materijos bangų trukdžių svarstymą), supažindinimą su kvantine informacija (kubitais ir jų geometriniu vaizdu), šviesos poliarizaciją, neapibrėžtumo principą, kvantinį. įsipainiojimas, EPR paradoksas, Bell nelygybės pažeidimas, vietinio realizmo atsisakymas, kvantinė informacija apdorojimas (įskaitant vienetinę transformaciją, vieno kubito ir dviejų kubitų vartus), neklonavimo teorema, kvantinė teleportacija, kvantinis matavimas, kvantinis skaičiavimas (įskaitant supažindinimą su kelių kubitų sistemomis, universalia vartų šeima, skaičiavimo grįžtamumą), kvantiniai algoritmai (įskaitant kvantinį Furjė transformaciją, Simono algoritmą, išplėstinį Churh-Turing disertacija, Shor'q kvantinio faktoringo algoritmas, Groverio kvantinės paieškos algoritmas), kvantiniai stebėjimai, Shrodingerio lygtis, kubitų diegimas, kvantinio sudėtingumo teorija, adiabatinis kvantinis skaičiavimas, BQP, sukimo įvadas, naudojant šią išsamią EIT sertifikavimo ir struktūrizavimo struktūrą, savarankiško mokymosi medžiaga, paremta nuorodiniu atviros prieigos vaizdo didaktiniu turiniu, kaip pagrindu ruošiantis įgyti šį EITC sertifikatą išlaikant atitinkamą egzaminą.
Kvantinė informacija – tai informacija apie kvantinės sistemos būseną. Tai yra pagrindinis kvantinės informacijos teorijos tyrimo objektas ir juo galima manipuliuoti naudojant kvantinės informacijos apdorojimo metodus. Kvantinė informacija reiškia ir techninį apibrėžimą Von Neumanno entropijos požiūriu, ir bendrąjį skaičiavimo terminą.
Kvantinė informacija ir skaičiavimas yra tarpdisciplininė sritis, apimanti kvantinę mechaniką, kompiuterių mokslą, informacijos teoriją, filosofiją ir kriptografiją, be kitų sričių. Jo tyrimas taip pat svarbus tokioms disciplinoms kaip pažinimo mokslas, psichologija ir neuromokslai. Jo pagrindinis dėmesys skiriamas informacijos išgavimui iš medžiagos mikroskopiniu mastu. Stebėjimas moksle yra esminis išskirtinis tikrovės kriterijus ir vienas iš svarbiausių informacijos gavimo būdų. Todėl norint kiekybiškai įvertinti stebėjimą, būtina atlikti matavimus, todėl tai svarbu moksliniam metodui. Kvantinėje mechanikoje dėl neapibrėžtumo principo nekeičiančių stebimų dalykų negalima tiksliai išmatuoti vienu metu, nes vieno pagrindo savoji būsena nėra kito pagrindo savoji būsena. Kadangi abu kintamieji vienu metu nėra tiksliai apibrėžti, kvantinėje būsenoje niekada negali būti galutinės informacijos apie abu kintamuosius. Dėl šios pagrindinės kvantinės mechanikos matavimo savybės, ši teorija paprastai gali būti apibūdinama kaip nedeterministinė, priešingai nei klasikinė mechanika, kuri yra visiškai deterministinė. Kvantinių būsenų neapibrėžtumas apibūdina informaciją, apibrėžtą kaip kvantinių sistemų būsenas. Matematiškai šios būsenos yra klasikinių sistemų būsenų superpozicijose (tiesinėse kombinacijose).
Kadangi informacija visada yra užkoduota fizinės sistemos būsenoje, ji pati savaime yra fizinė. Nors kvantinė mechanika nagrinėja medžiagos savybes mikroskopiniu lygmeniu, kvantinės informacijos mokslas daugiausia dėmesio skiria informacijos iš tų savybių išgavimui, o kvantinis skaičiavimas manipuliuoja ir apdoroja kvantinę informaciją – atlieka logines operacijas – naudodamas kvantinės informacijos apdorojimo metodus.
Kvantinę informaciją, kaip ir klasikinę, galima apdoroti kompiuteriais, perduoti iš vienos vietos į kitą, manipuliuoti algoritmais ir analizuoti informatikos ir matematikos pagalba. Kaip ir pagrindinis klasikinės informacijos vienetas yra bitas, kvantinė informacija yra susijusi su kubitais, kurie gali egzistuoti 0 ir 1 superpozicijoje (tuo pačiu metu yra šiek tiek teisinga ir klaidinga). Kvantinė informacija taip pat gali egzistuoti vadinamosiose susipynusiose būsenose, kurių matavimuose pasireiškia grynai neklasikinės nevietinės koreliacijos, leidžiančios taikyti tokias programas kaip kvantinė teleportacija. Įsipainiojimo lygį galima išmatuoti naudojant Von Neumann entropiją, kuri taip pat yra kvantinės informacijos matas. Pastaruoju metu kvantinės kompiuterijos sritis tapo labai aktyvia tyrimų sritimi dėl galimybės sutrikdyti šiuolaikinius skaičiavimus, ryšius ir kriptografiją.
Kvantinės informacijos istorija prasidėjo XX amžiaus sandūroje, kai klasikinė fizika buvo pakeista į kvantinę fiziką. Klasikinės fizikos teorijos numatė absurdiškus dalykus, tokius kaip ultravioletinė katastrofa arba elektronų spiralė į branduolį. Iš pradžių šios problemos buvo pašalintos į klasikinę fiziką įtraukus ad hoc hipotezę. Netrukus paaiškėjo, kad norint įprasminti šiuos absurdus, reikia sukurti naują teoriją, ir gimė kvantinės mechanikos teorija.
Kvantinę mechaniką suformulavo Schrödingeris, naudodamas bangų mechaniką, o Heisenbergas – matricinę mechaniką. Šių metodų lygiavertiškumas buvo įrodytas vėliau. Jų formuluotėse buvo aprašyta mikroskopinių sistemų dinamika, tačiau buvo keletas nepatenkinamų aspektų aprašant matavimo procesus. Von Neumann suformulavo kvantinę teoriją naudodamas operatoriaus algebrą taip, kad ji apibūdino matavimą ir dinamiką. Šie tyrimai pabrėžė filosofinius matavimo aspektus, o ne kiekybinį požiūrį į informacijos gavimą matavimais.
1960-aisiais Stratonovičius, Helstromas ir Gordonas pasiūlė optinio ryšio formulę naudojant kvantinę mechaniką. Tai buvo pirmasis kvantinės informacijos teorijos istorinis pasirodymas. Jie daugiausia tyrė klaidų tikimybę ir komunikacijos kanalų pajėgumus. Vėliau Holevo gavo viršutinę ryšio greičio ribą, perduodant klasikinį pranešimą kvantiniu kanalu.
Aštuntajame dešimtmetyje buvo pradėti kurti metodai, skirti manipuliuoti vieno atomo kvantinėmis būsenomis, pavyzdžiui, atomų gaudyklė ir skenuojantis tunelinis mikroskopas, leidžiantis išskirti atskirus atomus ir išdėstyti juos matricose. Iki šių pokyčių nebuvo įmanoma tiksliai valdyti pavienių kvantinių sistemų, o eksperimentuose buvo naudojama grubesnė, vienu metu valdoma daugybė kvantinių sistemų. Gyvybingų vienos būsenos manipuliavimo metodų sukūrimas padidino susidomėjimą kvantinės informacijos ir skaičiavimo sritimi.
Devintajame dešimtmetyje kilo susidomėjimas, ar įmanoma panaudoti kvantinius efektus Einšteino reliatyvumo teorijai paneigti. Jei būtų įmanoma klonuoti nežinomą kvantinę būseną, būtų galima panaudoti susipynusias kvantines būsenas informacijai perduoti greičiau nei šviesos greitis, o tai paneigtų Einšteino teoriją. Tačiau neklonavimo teorema parodė, kad toks klonavimas yra neįmanomas. Teorema buvo vienas iš pirmųjų kvantinės informacijos teorijos rezultatų.
Vystymas iš kriptografijos
Nepaisant viso jaudulio ir susidomėjimo tiriant izoliuotas kvantines sistemas ir bandant rasti būdą, kaip apeiti reliatyvumo teoriją, devintajame dešimtmetyje kvantinės informacijos teorijos tyrimai sustojo. Tačiau maždaug tuo pačiu metu į kvantinę informaciją ir skaičiavimus pradėjo veržtis kita kryptis: kriptografija. Bendrąja prasme kriptografija yra komunikacijos ar skaičiavimo problema, kai dalyvauja dvi ar daugiau šalių, kurios gali nepasitikėti viena kita.
Bennettas ir Brassardas sukūrė ryšio kanalą, kurio neįmanoma pasiklausyti neaptinkant – būdą slaptai bendrauti dideliais atstumais, naudojant kvantinį kriptografinį protokolą BB84. Pagrindinė idėja buvo panaudoti pagrindinį kvantinės mechanikos principą, kad stebėjimas trikdo stebimą, o slapto pasiklausymo įvedimas į saugią ryšio liniją iš karto leis abiem bendrauti bandančioms šalims sužinoti apie pasiklausytojo buvimą.
Informatikos ir matematikos raida
Atsiradus revoliucinėms Alano Turingo programuojamo kompiuterio arba Tiuringo mašinos idėjoms, jis parodė, kad bet koks realaus pasaulio skaičiavimas gali būti paverstas lygiaverčiu skaičiavimu, kuriame dalyvauja Tiuringo mašina. Tai žinoma kaip Bažnyčios-Turingo tezė.
Netrukus buvo pagaminti pirmieji kompiuteriai, o kompiuterių aparatinė įranga augo taip sparčiai, kad augimas dėl gamybos patirties buvo užkoduotas į empirinį ryšį, vadinamą Moore'o dėsniu. Šis „dėsnis“ yra projekcinė tendencija, kuri teigia, kad tranzistorių skaičius integrinėje grandinėje padvigubėja kas dvejus metus. Kai tranzistoriai ėmė mažėti ir mažėti, kad sukauptų daugiau galios vienam paviršiaus plotui, elektronikoje ėmė atsirasti kvantiniai efektai, dėl kurių atsirado netyčinių trukdžių. Tai paskatino kvantinio skaičiavimo atsiradimą, kuris algoritmams kurti naudojo kvantinę mechaniką.
Šiuo metu kvantiniai kompiuteriai žadėjo būti daug greitesni nei klasikiniai kompiuteriai tam tikroms specifinėms problemoms spręsti. Vieną tokių problemų pavyzdžių sukūrė Davidas Deutschas ir Richardas Jozsa, žinomas kaip Deutsch-Jozsa algoritmas. Tačiau ši problema praktiškai nebuvo pritaikyta. Peteris Šoras 1994 m. iškėlė labai svarbią ir praktinę problemą – vieną iš pirminių sveikojo skaičiaus veiksnių. Diskretaus logaritmo problema, kaip ji buvo vadinama, gali būti veiksmingai išspręsta naudojant kvantinį kompiuterį, bet ne klasikiniame kompiuteryje, todėl tai rodo, kad kvantiniai kompiuteriai yra galingesni už Tiuringo mašinas.
Vystymasis iš informacijos teorijos
Maždaug tuo metu kompiuterių mokslas darė revoliuciją, taip pat informacijos teorija ir komunikacija per Claude'ą Shannoną. Šenonas sukūrė dvi pagrindines informacijos teorijos teoremas: begarsio kanalo kodavimo teoremą ir triukšmingo kanalo kodavimo teoremą. Jis taip pat parodė, kad klaidų taisymo kodai gali būti naudojami siekiant apsaugoti siunčiamą informaciją.
Kvantinės informacijos teorija taip pat ėjo panašia trajektorija. Benas Schumacheris 1995 m. sukūrė analogą Shannono begarsio kodavimo teoremai, naudodamas kubitą. Taip pat buvo sukurta klaidų taisymo teorija, leidžianti kvantiniams kompiuteriams atlikti efektyvius skaičiavimus, nepaisant triukšmo, ir užtikrinti patikimą ryšį per triukšmingus kvantinius kanalus.
Kubitai ir informacijos teorija
Kvantinė informacija labai skiriasi nuo klasikinės informacijos, įkūnytos bitais, daugeliu įspūdingų ir nepažįstamų būdų. Nors pagrindinis klasikinės informacijos vienetas yra bitas, pagrindinis kvantinės informacijos vienetas yra kubitas. Klasikinė informacija matuojama naudojant Šenono entropiją, o kvantinės mechanikos analogas yra Von Neumann entropija. Statistinis kvantinių mechaninių sistemų ansamblis apibūdinamas tankio matrica. Daugelis klasikinės informacijos teorijos entropijos matų taip pat gali būti apibendrinti kvantiniu atveju, pavyzdžiui, Holevo entropija ir sąlyginė kvantinė entropija.
Skirtingai nuo klasikinių skaitmeninių būsenų (kurios yra diskrečios), kubitas yra nuolatinė vertė, apibūdinama Blocho sferos kryptimi. Nepaisant to, kad kubitas yra nuolat vertinamas tokiu būdu, jis yra mažiausias įmanomas kvantinės informacijos vienetas, ir nepaisant to, kad kubito būsena yra nuolatinė, neįmanoma tiksliai išmatuoti vertės. Penkios garsios teoremos aprašo manipuliavimo kvantine informacija ribas:
- neteleportacijos teorema, kuri teigia, kad kubitas negali būti (visiškai) konvertuojamas į klasikinius bitus; tai yra, jo negalima iki galo „perskaityti“,
- neklonavimo teorema, kuri neleidžia nukopijuoti savavališko kubito,
- neištrinimo teorema, kuri neleidžia ištrinti savavališko kubito,
- netransliavimo teorema, kuri neleidžia savavališkam kubitui pateikti keliems gavėjams, nors jį galima perkelti iš vienos vietos į kitą (pvz., naudojant kvantinę teleportaciją),
- neslepianti teorema, demonstruojanti kvantinės informacijos išsaugojimą.Šios teoremos įrodo, kad kvantinė informacija visatoje yra išsaugoma ir atveria unikalias kvantinės informacijos apdorojimo galimybes.
Kvantinės informacijos apdorojimas
Kubito būsenoje yra visa jo informacija. Ši būsena dažnai išreiškiama kaip vektorius Blocho sferoje. Šią būseną galima pakeisti taikant joms tiesines transformacijas arba kvantinius vartus. Šios vienetinės transformacijos apibūdinamos kaip sukimai Blocho sferoje. Nors klasikiniai vartai atitinka žinomas Būlio logikos operacijas, kvantiniai vartai yra fiziniai vienetiniai operatoriai.
Dėl kvantinių sistemų nepastovumo ir negalėjimo nukopijuoti būsenų kvantinės informacijos saugojimas yra daug sunkesnis nei klasikinės informacijos saugojimas. Nepaisant to, naudojant kvantinių klaidų taisymą, kvantinė informacija iš esmės gali būti patikimai saugoma. Kvantinių klaidų taisymo kodų egzistavimas taip pat lėmė gedimams atsparaus kvantinio skaičiavimo galimybę.
Klasikiniai bitai gali būti užkoduoti į kubitų konfigūracijas ir vėliau gauti iš jų, naudojant kvantinius vartus. Pats vienas kubitas gali perteikti ne daugiau kaip vieną prieinamos klasikinės informacijos apie jo rengimą bitą. Tai yra Holevo teorema. Tačiau itin tankaus kodavimo metu siuntėjas, veikdamas vieną iš dviejų susipynusių kubitų, gali perduoti imtuvui du bitus prieinamos informacijos apie jų bendrą būseną.
Kvantinė informacija gali būti perkelta kvantiniu kanalu, analogiškai klasikinio ryšio kanalo koncepcijai. Kvantinių pranešimų dydis yra baigtinis, matuojamas kubitais; kvantinių kanalų kanalo talpa yra baigtinė, matuojama kubitais per sekundę.
Kvantinę informaciją ir kvantinės informacijos pokyčius galima kiekybiškai išmatuoti naudojant Šenono entropijos analogą, vadinamą fon Neumanno entropija.
Kai kuriais atvejais kvantiniai algoritmai gali būti naudojami skaičiavimams atlikti greičiau nei bet kuris žinomas klasikinis algoritmas. Garsiausias to pavyzdys yra Šoro algoritmas, galintis apskaičiuoti skaičius pagal daugianario laiką, palyginti su geriausiais klasikiniais algoritmais, kuriems reikalingas subeksponentinis laikas. Kadangi faktorizavimas yra svarbi RSA šifravimo saugos dalis, Shor algoritmas paskatino naują postkvantinės kriptografijos sritį, kuri bando rasti šifravimo schemas, kurios išlieka saugios net ir veikiant kvantiniams kompiuteriams. Kiti algoritmų, kurie demonstruoja kvantinį pranašumą, pavyzdžiai yra Groverio paieškos algoritmas, kur kvantinis algoritmas suteikia kvadratinį greitį, palyginti su geriausiu įmanomu klasikiniu algoritmu. Problemų, kurias efektyviai išsprendžia kvantinis kompiuteris, sudėtingumo klasė yra žinoma kaip BQP.
Kvantinis raktų paskirstymas (QKD) leidžia besąlygiškai saugiai perduoti klasikinę informaciją, skirtingai nei klasikinis šifravimas, kurį visada galima sulaužyti iš esmės, jei ne praktiškai. Atminkite, kad kai kurie subtilūs klausimai, susiję su QKD saugumu, vis dar karštai diskutuojami.
Visų aukščiau išvardintų temų ir skirtumų tyrimas apima kvantinės informacijos teoriją.
Ryšys su kvantine mechanika
Kvantinė mechanika yra tyrimas, kaip mikroskopinės fizinės sistemos dinamiškai keičiasi gamtoje. Kvantinės informacijos teorijos srityje tiriamos kvantinės sistemos yra abstrahuotos nuo bet kokių realaus pasaulio atitikmenų. Pavyzdžiui, kubitas fiziškai gali būti fotonas tiesiniame optiniame kvantiniame kompiuteryje, jonas įstrigtame jonų kvantiniame kompiuteryje arba tai gali būti didelė atomų kolekcija, kaip superlaidiame kvantiniame kompiuteryje. Nepriklausomai nuo fizinio įgyvendinimo, kvantinės informacijos teorijos numanomos kubitų ribos ir ypatybės galioja, nes visos šios sistemos yra matematiškai aprašomos tuo pačiu tankio matricų kompleksinių skaičių aparatu. Kitas svarbus skirtumas nuo kvantinės mechanikos yra tas, kad nors kvantinė mechanika dažnai tiria begalinių matmenų sistemas, tokias kaip harmoninis generatorius, kvantinės informacijos teorija susijusi ir su nuolatinių kintamųjų sistemomis, ir su baigtinių matmenų sistemomis.
Kvantinis skaičiavimas
Kvantinis skaičiavimas yra skaičiavimo tipas, kuris skaičiavimams atlikti panaudoja kolektyvines kvantinių būsenų savybes, tokias kaip superpozicija, trukdžiai ir susipynimas. Įrenginiai, atliekantys kvantinius skaičiavimus, yra žinomi kaip kvantiniai kompiuteriai. I-5 Nors dabartiniai kvantiniai kompiuteriai yra per maži, kad pralenktų įprastus (klasikinius) kompiuterius praktiškai, tačiau manoma, kad jie gali išspręsti tam tikras skaičiavimo problemas, pvz., sveikųjų skaičių faktorizaciją. (kuris yra RSA šifravimo pagrindas), daug greičiau nei klasikiniai kompiuteriai. Kvantinės kompiuterijos studijos yra kvantinės informacijos mokslo pokrypis.
Kvantinis skaičiavimas prasidėjo 1980 m., kai fizikas Paulas Benioffas pasiūlė kvantinį mechaninį Turingo mašinos modelį. Richardas Feynmanas ir Jurijus Maninas vėliau pasiūlė, kad kvantinis kompiuteris gali imituoti dalykus, kurių klasikinis kompiuteris negalėjo padaryti. 1994 m. Peteris Šoras sukūrė kvantinį sveikųjų skaičių faktoringo algoritmą, galintį iššifruoti RSA užšifruotą ryšį. 1998 m. Isaacas Chuangas, Neilas Gershenfeldas ir Markas Kubinecas sukūrė pirmąjį dviejų kubitų kvantinį kompiuterį, galintį atlikti skaičiavimus. Nepaisant nuolatinės eksperimentinės pažangos nuo dešimtojo dešimtmečio pabaigos, dauguma tyrinėtojų mano, kad „gedimams atspari kvantinė kompiuterija vis dar yra gana tolima svajonė“. Pastaraisiais metais išaugo investicijos į kvantinių skaičiavimų tyrimus viešajame ir privačiame sektoriuose. 1990 m. spalio 23 d. „Google AI“, bendradarbiaudama su JAV Nacionaline aeronautikos ir kosmoso administracija (NASA), pareiškė, kad atliko kvantinį skaičiavimą, kurio neįmanoma atlikti jokiame klasikiniame kompiuteryje, tačiau ar šis teiginys galioja, ar tebėra galiojantis, yra tema. aktyvūs tyrimai.
Yra keli kvantinių kompiuterių tipai (taip pat žinomi kaip kvantinės skaičiavimo sistemos), įskaitant kvantinės grandinės modelį, kvantinę Tiuringo mašiną, adiabatinį kvantinį kompiuterį, vienpusį kvantinį kompiuterį ir įvairius kvantinius ląstelių automatus. Plačiausiai naudojamas modelis yra kvantinė grandinė, pagrįsta kvantiniu bitu arba „kubitu“, kuris yra šiek tiek analogiškas klasikinio skaičiavimo bitui. Kubitas gali būti 1 arba 0 kvantinėje būsenoje arba 1 ir 0 būsenų superpozicijoje. Tačiau kai jis matuojamas, jis visada yra 0 arba 1; bet kurio rezultato tikimybė priklauso nuo kubito kvantinės būsenos prieš pat matavimą.
Pastangos kuriant fizinį kvantinį kompiuterį sutelktos į tokias technologijas kaip transmonai, jonų gaudyklės ir topologiniai kvantiniai kompiuteriai, kuriais siekiama sukurti aukštos kokybės kubitus.: 2–13 Šie kubitai gali būti suprojektuoti skirtingai, atsižvelgiant į viso kvantinio kompiuterio skaičiavimo modelį, nesvarbu, ar tai būtų kvantinės logikos vartai, kvantinis atkaitinimas, ar adiabatinis kvantinis skaičiavimas. Šiuo metu yra nemažai didelių kliūčių kuriant naudingus kvantinius kompiuterius. Ypač sunku išlaikyti kubitų kvantines būsenas, nes jie kenčia nuo kvantinio dekoherencijos ir būsenos ištikimybės. Todėl kvantiniams kompiuteriams reikia ištaisyti klaidas.
Bet kurią skaičiavimo problemą, kurią galima išspręsti klasikiniu kompiuteriu, taip pat galima išspręsti kvantiniu kompiuteriu. Ir atvirkščiai, bet kokią problemą, kurią gali išspręsti kvantinis kompiuteris, gali išspręsti ir klasikinis kompiuteris, bent jau iš principo, skiriant pakankamai laiko. Kitaip tariant, kvantiniai kompiuteriai paklūsta Church-Turing tezei. Tai reiškia, kad nors kvantiniai kompiuteriai nesuteikia papildomų pranašumų, palyginti su klasikiniais kompiuteriais, kalbant apie apskaičiuojamumą, kvantiniai algoritmai tam tikroms problemoms spręsti turi žymiai mažesnį laiko sudėtingumą nei atitinkami žinomi klasikiniai algoritmai. Pažymėtina, kad manoma, kad kvantiniai kompiuteriai gali greitai išspręsti tam tikras problemas, kurių joks klasikinis kompiuteris negalėtų išspręsti per bet kokį įmanomą laiką – tai žygdarbis, žinomas kaip „kvantinė viršenybė“. Kvantinių kompiuterių problemų skaičiavimo sudėtingumo tyrimas yra žinomas kaip kvantinio sudėtingumo teorija.
Vyraujantis kvantinio skaičiavimo modelis aprašo skaičiavimą kvantinių loginių vartų tinklo požiūriu. Šis modelis gali būti laikomas abstrakčiu linijiniu-algebriniu klasikinės grandinės apibendrinimu. Kadangi šis grandinės modelis paklūsta kvantinei mechanikai, manoma, kad kvantinis kompiuteris, galintis efektyviai valdyti šias grandines, yra fiziškai įgyvendinamas.
Atmintis, susidedanti iš n informacijos bitų, turi 2^n galimų būsenų. Taigi visas atminties būsenas vaizduojantis vektorius turi 2^n įrašų (po vieną kiekvienai būsenai). Šis vektorius laikomas tikimybių vektoriumi ir parodo faktą, kad atmintis turi būti tam tikroje būsenoje.
Klasikiniu požiūriu vieno įrašo vertė būtų 1 (ty 100 % tikimybė būti tokioje būsenoje), o visi kiti įrašai būtų lygūs nuliui.
Kvantinėje mechanikoje tikimybių vektorius galima apibendrinti iki tankio operatorių. Kvantinės būsenos vektoriaus formalizmas paprastai įvedamas pirmiausia, nes jis yra konceptualiai paprastesnis ir gali būti naudojamas vietoj tankio matricos formalizmo grynosioms būsenoms, kai žinoma visa kvantinė sistema.
kvantinį skaičiavimą galima apibūdinti kaip kvantinių loginių vartų ir matavimų tinklą. Tačiau bet koks matavimas gali būti atidėtas iki kvantinio skaičiavimo pabaigos, nors šis atidėjimas gali kainuoti skaičiavimo išlaidas, todėl dauguma kvantinių grandinių vaizduoja tinklą, susidedantį tik iš kvantinių loginių vartų ir jokių matavimų.
Bet koks kvantinis skaičiavimas (kuris aukščiau pateiktame formalizme yra bet kokia unitarinė matrica virš n kubitų) gali būti pavaizduotas kaip kvantinės logikos vartų tinklas iš gana mažos vartų šeimos. Vartų šeimos pasirinkimas, leidžiantis šią konstrukciją, yra žinomas kaip universalus vartų rinkinys, nes kompiuteris, galintis paleisti tokias grandines, yra universalus kvantinis kompiuteris. Vienas įprastas toks rinkinys apima visus vieno kubito vartus ir CNOT vartus iš viršaus. Tai reiškia, kad bet koks kvantinis skaičiavimas gali būti atliktas vykdant vieno kubito vartų seką kartu su CNOT vartais. Nors šis vartų rinkinys yra begalinis, jį galima pakeisti baigtinių vartų rinkiniu, remiantis Solovajaus-Kitajevo teorema.
Kvantiniai algoritmai
Pažanga ieškant kvantinių algoritmų paprastai sutelkiama į šį kvantinės grandinės modelį, nors yra išimčių, tokių kaip kvantinis adiabatinis algoritmas. Kvantinius algoritmus galima apytiksliai suskirstyti į kategorijas pagal greičio padidinimo tipą, palyginti su atitinkamais klasikiniais algoritmais.
Kvantiniai algoritmai, kurie siūlo daugiau nei polinominį pagreitį, palyginti su geriausiai žinomu klasikiniu algoritmu, apima Šoro faktoringo algoritmą ir susijusius kvantinius algoritmus, skirtus diskretiesiems logaritmams skaičiuoti, Pell lygčiai ir apskritai paslėptų pogrupių problemai Abelio baigtinėms grupėms išspręsti. Šie algoritmai priklauso nuo kvantinės Furjė transformacijos primityvumo. Nerasta jokių matematinių įrodymų, rodančių, kad vienodai greitas klasikinis algoritmas negali būti aptiktas, nors manoma, kad tai mažai tikėtina. yra kvantinės užklausos modelyje, kuris yra ribotas modelis, kuriame apatines ribas daug lengviau įrodyti ir tai nebūtinai reiškia pagreitį sprendžiant praktines problemas.
Kitos problemos, įskaitant kvantinių fizinių procesų modeliavimą iš chemijos ir kietojo kūno fizikos, tam tikrų Džounso polinomų aproksimavimą ir tiesinių lygčių sistemų kvantinį algoritmą, atrodo, kad kvantiniai algoritmai suteikia superpolinomo pagreitį ir yra pilni BQP. Kadangi šios problemos yra užbaigtos BQP, vienodai greitas klasikinis algoritmas joms reikštų, kad joks kvantinis algoritmas nesuteikia superpolinominio greičio, kuris, manoma, yra mažai tikėtinas.
Kai kurie kvantiniai algoritmai, tokie kaip Groverio algoritmas ir amplitudės stiprinimas, suteikia polinominį pagreitį, palyginti su atitinkamais klasikiniais algoritmais. Nors šie algoritmai suteikia palyginti nedidelį kvadratinį pagreitį, jie yra plačiai taikomi ir todėl pagreitina daugybę problemų. Daugelis įrodomų kvantinių paspartinimų pavyzdžių, susijusių su užklausos problemomis, yra susiję su Groverio algoritmu, įskaitant Brassard, Høyer ir Tapp algoritmą, skirtą rasti susidūrimų du su vienu funkcijose, kuris naudoja Groverio algoritmą, ir Farhi, Goldstone ir Gutmann algoritmą NAND vertinimui. medžiai, o tai yra paieškos problemos variantas.
Kriptografijos programos
Svarbus kvantinio skaičiavimo taikymas yra atakos prieš šiuo metu naudojamas kriptografines sistemas. Manoma, kad sveikųjų skaičių faktorizavimas, kuriuo grindžiamas viešojo rakto kriptografinių sistemų saugumas, yra neįgyvendinamas įprastu kompiuteriu dideliems sveikiesiems skaičiams, jei jie yra kelių pirminių skaičių sandauga (pvz., dviejų 300 skaitmenų pirminių skaičių sandauga). Palyginimui, kvantinis kompiuteris galėtų veiksmingai išspręsti šią problemą, naudodamas Shoro algoritmą, kad nustatytų jo veiksnius. Šis gebėjimas leistų kvantiniam kompiuteriui sulaužyti daugelį šiandien naudojamų kriptografinių sistemų ta prasme, kad problemai išspręsti būtų daugianario laiko (sveiko skaičiaus skaitmenų skaičiumi) algoritmas. Visų pirma, dauguma populiarių viešojo rakto šifrų yra pagrįsti sveikųjų skaičių faktoringo sudėtingumu arba diskrečiojo logaritmo problema, kurias abu galima išspręsti naudojant Šoro algoritmą. Visų pirma, gali būti pažeisti RSA, Diffie-Hellman ir elipsinės kreivės Diffie-Hellman algoritmai. Jie naudojami saugiems tinklalapiams, užšifruotam el. paštui ir daugeliui kitų tipų duomenims apsaugoti. Jų pažeidimas turėtų didelių pasekmių elektroniniam privatumui ir saugumui.
Kriptografinių sistemų, kurios gali būti apsaugotos nuo kvantinių algoritmų, nustatymas yra aktyviai tyrinėjama postkvantinės kriptografijos tema. Kai kurie viešojo rakto algoritmai yra pagrįsti kitomis problemomis nei sveikųjų skaičių faktorizavimas ir diskrečiųjų logaritmų problemos, kurioms taikomas Šoro algoritmas, pavyzdžiui, McEliece kriptosistema, pagrįsta kodavimo teorijos problema. Taip pat žinoma, kad gardelės pagrindu veikiančių kriptosistemų nesunaikina kvantiniai kompiuteriai, o daugianario laiko algoritmo, skirto diedralinės paslėptos pogrupio problemos sprendimui, kuris sulaužytų daugelį grotelėmis pagrįstų kriptosistemų, paieška yra gerai ištirta atvira problema. Įrodyta, kad taikant Groverio algoritmą simetriniam (slapto rakto) algoritmui sulaužyti brutaliąja jėga reikia laiko, lygaus maždaug 2n/2 pagrindinio kriptografinio algoritmo iškvietimų, palyginti su maždaug 2n klasikiniu atveju, o tai reiškia, kad simetriniai raktų ilgiai yra efektyviai sumažintas perpus: AES-256 būtų apsaugotas nuo atakos naudojant Groverio algoritmą, kaip ir AES-128 prieš klasikinę brutaliosios jėgos paiešką (žr. Rakto dydį).
Kvantinė kriptografija potencialiai galėtų atlikti kai kurias viešojo rakto kriptografijos funkcijas. Todėl kvantinės kriptografinės sistemos galėtų būti saugesnės nei tradicinės sistemos nuo kvantinio įsilaužimo.
Paieškos problemos
Labiausiai žinomas problemos, leidžiančios daugianario kvantinį pagreitį, pavyzdys yra nestruktūrizuota paieška, pažymėto elemento radimas iš n elementų sąrašo duomenų bazėje. Tai gali būti išspręsta naudojant Groverio algoritmą, naudojant O(sqrt(n)) užklausas į duomenų bazę, kvadratiškai mažiau nei Omega(n) užklausų, reikalingų klasikiniams algoritmams. Šiuo atveju pranašumas yra ne tik įrodomas, bet ir optimalus: įrodyta, kad Groverio algoritmas suteikia maksimalią įmanomą tikimybę rasti norimą elementą bet kokiam orakulų paieškų skaičiui.
Problemos, kurias galima išspręsti naudojant Groverio algoritmą, turi šias savybes:
- Galimų atsakymų rinkinyje nėra ieškomos struktūros,
- Galimų patikrinti atsakymų skaičius yra toks pat kaip ir algoritmo įvesties skaičius, ir
- Yra loginė funkcija, kuri įvertina kiekvieną įvestį ir nustato, ar tai teisingas atsakymas
Esant problemoms, susijusioms su visomis šiomis savybėmis, Groverio algoritmo veikimo laikas kvantiniame kompiuteryje prilyginamas įvesties (arba duomenų bazės elementų) skaičiaus kvadratinei šaknis, o ne linijiniam klasikinių algoritmų mastelio keitimui. Bendra problemų klasė, kuriai gali būti taikomas Groverio algoritmas, yra Būlio patenkinimo problema, kai duomenų bazė, per kurią algoritmas kartojasi, yra visų galimų atsakymų duomenų bazė. To pavyzdys ir (galimas) taikymas yra slaptažodžių krekeris, kuris bando atspėti slaptažodį. Simetriniai šifrai, tokie kaip Triple DES ir AES, yra ypač pažeidžiami tokio pobūdžio atakų. Reikalinga citata] Šis kvantinio skaičiavimo taikymas yra pagrindinis vyriausybinių agentūrų interesas.
Kvantinių sistemų modeliavimas
Kadangi chemija ir nanotechnologijos priklauso nuo kvantinių sistemų supratimo, o tokių sistemų neįmanoma efektyviai imituoti klasikiniu būdu, daugelis mano, kad kvantinis modeliavimas bus vienas iš svarbiausių kvantinio skaičiavimo taikymo būdų. Kvantinis modeliavimas taip pat gali būti naudojamas imituojant atomų ir dalelių elgesį neįprastomis sąlygomis, pavyzdžiui, reakcijas greitintuvo viduje. Kvantinis modeliavimas gali būti naudojamas nuspėti būsimus dalelių ir protonų kelius superpozicijoje dvigubo plyšio eksperimento metu.[reikalinga citata] Apie 2 % metinės pasaulinės energijos sunaudojama azoto fiksavimui amoniakui gaminti Haber procesui žemės ūkyje. trąšų pramonėje, o natūraliai atsirandantys organizmai taip pat gamina amoniaką. Norint suprasti šį procesą didinančią gamybą, gali būti naudojami kvantiniai modeliai.
Kvantinis atkaitinimas ir adiabatinis optimizavimas
Kvantinis atkaitinimas arba adiabatinis kvantinis skaičiavimas remiasi adiabatinės teoremos skaičiavimais. Sistema įvedama į pagrindinę paprastą Hamiltono būseną, kuri pamažu evoliucionuoja į sudėtingesnę Hamiltono būseną, kurios pagrindinė būsena yra nagrinėjamos problemos sprendimas. Adiabatinė teorema teigia, kad jei evoliucija yra pakankamai lėta, sistema visą procesą išliks pagrindinėje būsenoje.
Mašininis mokymasis
Kadangi kvantiniai kompiuteriai gali pagaminti išvesties, kurių klasikiniai kompiuteriai negali pagaminti efektyviai, ir kadangi kvantinis skaičiavimas iš esmės yra linijinis algebrinis, kai kurie išreiškia viltį sukurti kvantinius algoritmus, kurie galėtų pagreitinti mašininio mokymosi užduotis. Pavyzdžiui, manoma, kad tiesinių lygčių sistemų kvantinis algoritmas arba „HHL Algorithm“, pavadintas jo atradėjų Harrow, Hassidim ir Lloyd vardu, pagreitina klasikinius analogus. Kai kurios tyrimų grupės neseniai ištyrė kvantinio atkaitinimo aparatūros naudojimą Boltzmanno mašinoms ir giliesiems neuroniniams tinklams treniruoti.
Kompiuterinė biologija
Skaičiavimo biologijos srityje kvantinė kompiuterija suvaidino didelį vaidmenį sprendžiant daugelį biologinių problemų. Vienas iš gerai žinomų pavyzdžių būtų skaičiavimo genomika ir tai, kaip kompiuterija drastiškai sumažino žmogaus genomo sekos nustatymo laiką. Atsižvelgiant į tai, kaip skaičiavimo biologija naudoja bendrąjį duomenų modeliavimą ir saugojimą, tikimasi, kad ji taip pat bus pritaikyta skaičiavimo biologijai.
Kompiuterinis vaistų projektavimas ir generacinė chemija
Gilios generacinės chemijos modeliai pasirodo kaip galingi įrankiai, paspartinantys vaistų atradimą. Tačiau didžiulis visų įmanomų į vaistus panašių molekulių struktūrinės erdvės dydis ir sudėtingumas kelia didelių kliūčių, kurias ateityje galėtų įveikti kvantiniai kompiuteriai. Kvantiniai kompiuteriai natūraliai tinka sudėtingoms kvantinėms daugelio kūnų problemoms spręsti, todėl gali būti naudingi su kvantine chemija susijusioms programoms. Todėl galima tikėtis, kad kvantiniu būdu patobulinti generatyviniai modeliai, įskaitant kvantinius GAN, galiausiai gali būti sukurti į galutinius generatyvinės chemijos algoritmus. Hibridinės architektūros, jungiančios kvantinius kompiuterius su giliais klasikiniais tinklais, pvz., Quantum Variational Autoencoder, jau gali būti apmokytos komerciniais atkaitinimo įrenginiais ir naudojamos kuriant naujas į vaistus panašias molekulines struktūras.
Fizinių kvantinių kompiuterių kūrimas
Iššūkiai
Kuriant didelio masto kvantinį kompiuterį kyla nemažai techninių iššūkių. Fizikas Davidas DiVincenzo išvardijo šiuos reikalavimus praktiniam kvantiniam kompiuteriui:
- Fiziškai keičiamas, kad padidėtų kubitų skaičius,
- Qubits, kuriuos galima inicijuoti į savavališkas reikšmes,
- Kvantiniai vartai, greitesni už dekohercijos laiką,
- Universalus vartų komplektas,
- Kubitai, kuriuos galima lengvai perskaityti.
Kvantinių kompiuterių dalių tiekimas taip pat yra labai sunkus. Daugeliui kvantinių kompiuterių, pvz., „Google“ ir IBM sukurtų, reikia helio-3, šalutinio branduolinių tyrimų produkto, ir specialių superlaidžių kabelių, kuriuos gamina tik Japonijos įmonė „Coax Co.
Norint valdyti kelių kubitų sistemas, reikia generuoti ir koordinuoti daugybę elektrinių signalų su griežta ir deterministine laiko skiriamąja geba. Dėl to buvo sukurti kvantiniai valdikliai, leidžiantys susieti su kubitais. Šių sistemų mastelio keitimas siekiant palaikyti vis didesnį kubitų skaičių yra papildomas iššūkis.
Kvantinė dekoherence
Vienas didžiausių iššūkių, susijusių su kvantinių kompiuterių konstravimu, yra kvantinio dekoherencijos valdymas arba pašalinimas. Paprastai tai reiškia sistemos izoliavimą nuo aplinkos, nes sąveika su išoriniu pasauliu sukelia sistemos dekoheriją. Tačiau yra ir kitų dekoherencijos šaltinių. Pavyzdžiai apima kvantinius vartus ir gardelės virpesius bei fizinės sistemos termobranduolinį sukimąsi, naudojamą kubitams įgyvendinti. Dekoherencija yra negrįžtama, nes ji iš esmės nėra vieninga ir paprastai tai turėtų būti labai kontroliuojama, jei to nereikia vengti. Visų pirma kandidatų sistemų dekoherencijos laikas, skersinio atsipalaidavimo laikas T2 (BMR ir MRT technologijoms, taip pat vadinamas defazavimo laiku), paprastai svyruoja nuo nanosekundžių iki sekundžių žemoje temperatūroje. Šiuo metu kai kurie kvantiniai kompiuteriai reikalauja, kad jų kubitai būtų atšaldyti iki 20 milikelvinų (paprastai naudojant skiedimo šaldytuvą), kad būtų išvengta reikšmingo dekoherencijos. 2020 m. atliktame tyrime teigiama, kad jonizuojanti spinduliuotė, tokia kaip kosminiai spinduliai, vis dėlto gali sukelti tam tikrų sistemų dekoheriją per milisekundes.
Dėl to dėl daug laiko reikalaujančių užduočių kai kurie kvantiniai algoritmai gali tapti neveikiančiais, nes pakankamai ilgai išlaikant kubitų būseną galiausiai bus sugadintos superpozicijos.
Šios problemos yra sunkesnės optiniams metodams, nes terminai yra daug trumpesni, o dažnai minimas būdas jas įveikti yra optinio impulso formavimas. Klaidų dažnis paprastai yra proporcingas veikimo laiko ir dekoherencijos laiko santykiui, todėl bet kuri operacija turi būti atlikta daug greičiau nei dekoherencijos laikas.
Kaip aprašyta kvantinio slenksčio teoremoje, jei klaidų lygis yra pakankamai mažas, manoma, kad galima naudoti kvantinę klaidų taisymą, kad būtų išvengta klaidų ir dekoherencijos. Tai leidžia bendram skaičiavimo laikui būti ilgesniam nei dekoherencijos laikas, jei klaidų taisymo schema gali ištaisyti klaidas greičiau, nei jas įveda dekoherence. Dažnai cituojamas reikalingo klaidų lygio skaičius kiekviename gedimams atspariam skaičiavimui yra 10–3, darant prielaidą, kad triukšmas yra depoliarizuojantis.
Šią mastelio keitimo sąlygą galima įvykdyti įvairiose sistemose. Tačiau naudojant klaidų taisymą, labai padidėja reikalingų kubitų skaičius. Skaičius, reikalingas sveikiesiems skaičiams apskaičiuoti naudojant Šoro algoritmą, vis dar yra daugianomas ir, manoma, yra tarp L ir L2, kur L yra faktoringo skaitmenų skaičius; klaidų taisymo algoritmai padidintų šį skaičių papildomu L koeficientu. 1000 bitų skaičiui tai reiškia, kad be klaidų taisymo reikia maždaug 104 bitų. Ištaisius klaidas, skaičius padidėtų iki maždaug 107 bitų. Skaičiavimo laikas yra apie L2 arba apie 107 žingsnius, o esant 1 MHz – apie 10 sekundžių.
Labai skirtingas požiūris į stabilumo ir dekoherencijos problemą yra sukurti topologinį kvantinį kompiuterį su betonais, kvazidalelėmis, naudojamomis kaip siūlai, ir remiantis pynimo teorija, kad būtų suformuoti stabilūs loginiai vartai.
Kvantinė viršenybė
Kvantinė viršenybė yra terminas, kurį sukūrė Johnas Preskill'as, nurodant inžinerinį žygdarbį, pademonstruojant, kad programuojamas kvantinis įrenginys gali išspręsti problemą, kuri yra didesnė už moderniausių klasikinių kompiuterių galimybes. Problema nebūtinai turi būti naudinga, todėl kai kurie kvantinės viršenybės testą laiko tik galimu būsimu etalonu.
2019 m. spalį „Google AI Quantum“, padedama NASA, tapo pirmuoju, pareiškusiu, kad pasiekė kvantinį pranašumą, atlikdamas skaičiavimus Sycamore kvantiniame kompiuteryje daugiau nei 3,000,000 XNUMX XNUMX kartų greičiau, nei būtų galima atlikti viršūnių susitikime, kuris paprastai laikomas greičiausiu pasaulyje. kompiuteris. Vėliau šis teiginys buvo užginčytas: IBM pareiškė, kad „Summit“ gali atlikti pavyzdžius daug greičiau, nei teigiama, ir nuo to laiko mokslininkai sukūrė geresnius atrankos problemos algoritmus, naudojamus kvantinei viršenybei reikalauti, o tai leidžia žymiai sumažinti arba panaikinti atotrūkį tarp Sycamore ir klasikiniai superkompiuteriai.
2020 m. gruodžio mėn. grupė USTC panaudojo 76 fotonų bozono mėginių ėmimo tipą su fotoniniu kvantiniu kompiuteriu Jiuzhang, kad parodytų kvantinį pranašumą. Autoriai teigia, kad klasikiniam šiuolaikiniam superkompiuteriui prireiktų 600 milijonų metų skaičiavimo laiko, kad būtų sukurtas mėginių skaičius, kurį jų kvantinis procesorius gali sukurti per 20 sekundžių. 16 m. lapkričio 2021 d. kvantinio skaičiavimo aukščiausiojo lygio susitikime IBM pristatė 127 kubitų mikroprocesorių, pavadintą IBM Eagle.
Fiziniai įgyvendinimai
Norint fiziškai įgyvendinti kvantinį kompiuterį, ieškoma daug skirtingų kandidatų, tarp jų (išsiskiriančių fizine sistema, naudojama kubitams realizuoti):
- Superlaidus kvantinis skaičiavimas (kubitas įgyvendinamas mažų superlaidžių grandinių būsenoje, Josephsono sandūrose)
- Įstrigusių jonų kvantinis kompiuteris (kubitas įgyvendinamas pagal įstrigusių jonų vidinę būseną)
- Neutralūs atomai optinėse gardelėse (kubitas įgyvendinamas pagal optinėje gardelėje įstrigusių neutralių atomų vidines būsenas)
- Kvantinio taško kompiuteris, sukiniu pagrindu (pvz., Loss-DiVincenzo kvantinis kompiuteris) (kubitas, pateiktas pagal įstrigusių elektronų sukimosi būsenas)
- Kvantinio taško kompiuteris, erdvinis (kubitas pateikiamas pagal elektronų padėtį dvigubame kvantiniame taške)
- Kvantinis skaičiavimas naudojant inžinerinius kvantinius šulinius, kurie iš esmės leistų sukurti kvantinius kompiuterius, veikiančius kambario temperatūroje
- Sujungta kvantinė viela (kubitas įgyvendinamas pora kvantinių laidų, sujungtų kvantinio taško kontaktu)
- Branduolinio magnetinio rezonanso kvantinis kompiuteris (NMRQC), įgyvendintas naudojant tirpale esančių molekulių branduolinį magnetinį rezonansą, kur kubitus suteikia branduoliniai sukimai ištirpusios molekulės viduje ir zonduojami radijo bangomis.
- Kietojo kūno BMR Kane kvantiniai kompiuteriai (kubitas realizuojamas pagal fosforo donorų branduolio sukimosi būseną silicyje)
- Elektronai ant helio kvantiniai kompiuteriai (kubitas yra elektronų sukimasis)
- Ertmės kvantinė elektrodinamika (CQED) (kubitą suteikia vidinė įstrigusių atomų būsena, sujungta su labai smulkiomis ertmėmis)
- Molekulinis magnetas (kubitas, nurodytas sukimosi būsenomis)
- Fullereno pagrindu sukurtas ESR kvantinis kompiuteris (kubitas, pagrįstas fullerenais apgaubtų atomų ar molekulių elektroniniu sukimu)
- Netiesinis optinis kvantinis kompiuteris (kubitai, realizuojami apdorojant skirtingų šviesos režimų būsenas tiek tiesiniais, tiek netiesiniais elementais)
- Linijinis optinis kvantinis kompiuteris (kubitai, realizuojami apdorojant skirtingų šviesos režimų būsenas per linijinius elementus, pvz., veidrodžius, pluošto daliklius ir fazių keitiklius)
- Deimantinis kvantinis kompiuteris (kubitas realizuojamas elektroniniu arba branduoliniu azoto centrų sukimu deimante)
- Bose-Einstein kondensato pagrindu sukurtas kvantinis kompiuteris
- Tranzistorinis kvantinis kompiuteris – styginiai kvantiniai kompiuteriai su teigiamomis skylėmis, naudojant elektrostatinį gaudyklę
- Retųjų žemių metalų jonais legiruoti neorganinių kristalų kvantiniai kompiuteriai (kubitas realizuojamas pagal optinių skaidulų priemaišų vidinę elektroninę būseną)
- Į metalą panašūs anglies nanosferų kvantiniai kompiuteriai
- Didelis kandidatų skaičius rodo, kad kvantinė kompiuterija, nepaisant sparčios pažangos, vis dar yra pradinėje stadijoje.
Yra keletas kvantinio skaičiavimo modelių, išsiskiriančių pagrindiniais elementais, kuriuose skaičiavimas yra skaidomas. Praktiniam įgyvendinimui keturi svarbūs skaičiavimo modeliai yra šie:
- Kvantinių vartų masyvas (skaičiavimas išskaidytas į kelių kubitų kvantinių vartų seką)
- Vienpusis kvantinis kompiuteris (skaičiavimas, suskaidytas į vieno kubito matavimų seką, taikomą labai susipynusioje pradinėje būsenoje arba klasterio būsenoje)
- Adiabatinis kvantinis kompiuteris, pagrįstas kvantiniu atkaitinimu (skaičiavimas išskaidomas į lėtą nuolatinį pradinio Hamiltono transformaciją į galutinį Hamiltono, kurio pagrindinėse būsenose yra tirpalas)
- Topologinis kvantinis kompiuteris (skaičiavimas, suskaidytas į betonų pynimą 2D gardelėje)
Kvantinė Tiuringo mašina teoriškai svarbi, tačiau fiziškai įgyvendinti šį modelį neįmanoma. Įrodyta, kad visi keturi skaičiavimo modeliai yra lygiaverčiai; kiekvienas gali imituoti kitą ne daugiau kaip daugianario pridėtinę kainą.
Norėdami išsamiai susipažinti su sertifikavimo programa, galite išplėsti ir išanalizuoti toliau pateiktą lentelę.
EITC/QI/QIF kvantinės informacijos pagrindų sertifikavimo mokymo programoje pateikiamos nuorodos į atviros prieigos didaktinę medžiagą vaizdo įrašo forma. Mokymosi procesas yra padalintas į laipsnišką struktūrą (programos -> pamokos -> temos), apimančią atitinkamas mokymo programos dalis. Dalyviai gali gauti atsakymus ir užduoti aktualesnius klausimus elektroninio mokymosi sąsajos skiltyje Klausimai ir atsakymai pagal šiuo metu vykdomą EITC programos mokymo programą. Tiesioginės ir neribotos konsultacijos su domenų ekspertais taip pat pasiekiamos per platformoje integruotą internetinių pranešimų sistemą, taip pat per kontaktinę formą.
Norėdami gauti daugiau informacijos apie sertifikavimo procedūrą, patikrinkite Patogus abonementas.
Pagrindinės paskaitų pastabos
U. Vazirani paskaitų konspektai:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
Pagalbiniai paskaitų užrašai
L. Jacakas ir kt. paskaitų konspektai (su papildoma medžiaga):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
Pagrindinis pagalbinis vadovėlis
Kvantinio skaičiavimo ir kvantinės informacijos vadovėlis (Nielsen, Chuang):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
Papildomi paskaitų užrašai
J. Preskill paskaitų užrašai:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
A. Childso paskaitų užrašai:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
S. Aaronson paskaitos pastabos:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
R. de Wolf paskaitos pastabos:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
Kiti rekomenduojami vadovėliai
Klasikinis ir kvantinis skaičiavimas (Kitaev, Shen, Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
Kvantinė kompiuterija nuo Demokrito (Aaronson)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
Kvantinės informacijos teorija (Watrous)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
Kvantinės informacijos teorija (Wilde)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
Atsisiųskite visą parengiamąją savarankiško mokymosi neprisijungus medžiagą EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals programai PDF faile
EITC/QI/QIF paruošiamoji medžiaga – standartinė versija
EITC/QI/QIF parengiamoji medžiaga – išplėstinė versija su peržiūros klausimais