EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals on kvanttitiedon ja kvanttilaskennan teoreettisia ja käytännön näkökohtia käsittelevä eurooppalainen IT-sertifiointiohjelma, joka perustuu kvanttifysiikan lakeihin klassisen fysiikan sijaan ja tarjoaa laadullisia etuja klassisiin kollegoihinsa verrattuna.
EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentalsin opetussuunnitelma sisältää johdannon kvanttimekaniikkaan (mukaan lukien kaksoisrakokokeen ja aineaaltohäiriöiden huomioiminen), johdannon kvanttiinformaatioon (kubitit ja niiden geometrinen esitys), valon polarisaation, epävarmuusperiaatteen, kvantti sotkeutuminen, EPR-paradoksi, Bell-epätasa-arvon rikkominen, paikallisen realismin hylkääminen, kvanttitietojen käsittely (mukaan lukien unitaarimuunnos, yksi- ja kaksikbittiset portit), ei-kloonauslause, kvanttiteleportaatio, kvanttimittaus, kvanttilaskenta (mukaan lukien johdatus moniin -qubit-järjestelmät, yleinen porttiperhe, laskennan käännettävyys), kvanttialgoritmit (mukaan lukien Quantum Fourier Transform, Simonin algoritmi, laajennettu Churh-Turingin opinnäytetyö, Shor'q-kvanttifaktorointialgoritmi, Groverin kvanttihakualgoritmi), kvanttihavainnointi, kvanttihavainnointi qubits-toteutukset, kvanttikompleksiteoria, adiabaattinen kvanttilaskenta ion, BQP, johdatus spiniin seuraavassa rakenteessa, joka sisältää kattavan didaktisen videosisällön viitteenä tälle EITC-sertifioinnille.
Kvanttitieto on tietoa kvanttijärjestelmän tilasta. Se on kvanttiinformaatioteorian tutkimuksen peruskokonaisuus, ja sitä voidaan käsitellä kvanttiinformaation käsittelytekniikoilla. Kvanttiinformaatio viittaa sekä Von Neumannin entropian tekniseen määritelmään että yleiseen laskennalliseen termiin.
Kvanttiinformaatio ja laskenta on monitieteinen ala, johon kuuluvat muun muassa kvanttimekaniikka, tietojenkäsittelytiede, informaatioteoria, filosofia ja kryptografia. Sen tutkimus koskee myös sellaisia tieteenaloja, kuten kognitiotiede, psykologia ja neurotiede. Sen pääpaino on tiedon poimimisessa aineesta mikroskooppisessa mittakaavassa. Tieteessä havainnointi on perustavanlaatuinen erottuva todellisuuden kriteeri ja yksi tärkeimmistä tavoista hankkia tietoa. Siksi mittausta tarvitaan havainnon kvantifioimiseksi, mikä tekee siitä ratkaisevan tärkeän tieteellisen menetelmän kannalta. Kvanttimekaniikassa epävarmuusperiaatteen vuoksi ei-kommutoituvia havaintoja ei voida mitata tarkasti samanaikaisesti, koska toisessa kannassa oleva ominaistila ei ole toisen kannan ominaistila. Koska molemmat muuttujat eivät ole samanaikaisesti hyvin määriteltyjä, kvanttitila ei voi koskaan sisältää lopullista tietoa molemmista muuttujista. Tämän kvanttimekaniikan mittauksen perustavanlaatuisen ominaisuuden vuoksi tätä teoriaa voidaan yleisesti luonnehtia epädeterministiseksi, toisin kuin klassinen mekaniikka, joka on täysin deterministinen. Kvanttitilojen indeterminismi luonnehtii tietoa, joka määritellään kvanttijärjestelmien tiloiksi. Matemaattisesti nämä tilat ovat klassisten järjestelmien tilojen superpositioissa (lineaarisissa yhdistelmissä).
Koska tieto on aina koodattu fyysisen järjestelmän tilaan, se on itsessään fyysistä. Kvanttimekaniikka käsittelee aineen ominaisuuksien tutkimista mikroskooppisella tasolla, kun taas kvanttitietotiede keskittyy tiedon poimimiseen näistä ominaisuuksista, ja kvanttilaskenta manipuloi ja käsittelee kvanttitietoa – suorittaa loogisia operaatioita – käyttämällä kvanttitietojen käsittelytekniikoita.
Kvanttiinformaatiota, kuten klassista tietoa, voidaan käsitellä tietokoneilla, siirtää paikasta toiseen, manipuloida algoritmeilla ja analysoida tietojenkäsittelytieteen ja matematiikan avulla. Kuten klassisen tiedon perusyksikkö on bitti, kvanttiinformaatio käsittelee kubitteja, jotka voivat esiintyä 0:n ja 1:n superpositiossa (samanaikaisesti jossain määrin tosi ja epätosi). Kvanttitietoa voi esiintyä myös ns. kietoutuneissa tiloissa, jotka osoittavat mittauksissaan puhtaasti ei-klassisia ei-paikallisia korrelaatioita mahdollistaen sovelluksia, kuten kvanttiteleportaation. Kietoutumisen tasoa voidaan mitata käyttämällä Von Neumannin entropiaa, joka on myös kvanttiinformaation mitta. Viime aikoina kvanttilaskennan alasta on tullut erittäin aktiivinen tutkimusalue, koska se voi häiritä nykyaikaista laskentaa, viestintää ja kryptografiaa.
Kvanttitiedon historia alkoi 20-luvun vaihteessa, kun klassinen fysiikka mullistui kvanttifysiikaksi. Klassisen fysiikan teoriat ennustivat absurdeja, kuten ultraviolettikatastrofia tai elektronien kiertymistä ytimeen. Aluksi nämä ongelmat karsittiin sivuun lisäämällä ad hoc -hypoteesi klassiseen fysiikkaan. Pian kävi selväksi, että on luotava uusi teoria näiden järjettömyyksien ymmärtämiseksi, ja kvanttimekaniikan teoria syntyi.
Kvanttimekaniikan muotoili Schrödinger käyttäen aaltomekaniikkaa ja Heisenberg matriisimekaniikkaa. Näiden menetelmien vastaavuus todistettiin myöhemmin. Heidän muotoilunsa kuvasivat mikroskooppisten järjestelmien dynamiikkaa, mutta niissä oli useita epätyydyttäviä näkökohtia mittausprosessien kuvauksessa. Von Neumann muotoili kvanttiteorian käyttämällä operaattorialgebraa tavalla, joka kuvasi mittausta ja dynamiikkaa. Nämä tutkimukset korostivat mittauksen filosofisia puolia pikemminkin kuin kvantitatiivista lähestymistapaa tiedon poimimiseen mittausten avulla.
1960-luvulla Stratonovich, Helstrom ja Gordon ehdottivat kvanttimekaniikkaa käyttävän optisen viestinnän muotoilua. Tämä oli kvanttitietoteorian ensimmäinen historiallinen esiintyminen. He tutkivat pääasiassa virhetodennäköisyyksiä ja viestintäkanavien kapasiteettia. Myöhemmin Holevo sai tiedonsiirron nopeuden ylärajan klassisen viestin lähettämisessä kvanttikanavan kautta.
1970-luvulla alettiin kehittää tekniikoita yhden atomin kvanttitilojen manipuloimiseksi, kuten atomiloukku ja pyyhkäisytunnelimikroskooppi, mikä mahdollisti yksittäisten atomien eristämisen ja järjestämisen ryhmiksi. Ennen tätä kehitystä yksittäisten kvanttijärjestelmien tarkka hallinta ei ollut mahdollista, ja kokeissa käytettiin karkeampaa, samanaikaista ohjausta suurelle määrälle kvanttijärjestelmiä. Elinkelpoisten yhden tilan manipulointitekniikoiden kehittäminen johti lisääntyneeseen kiinnostukseen kvanttiinformaation ja laskennan alaa kohtaan.
1980-luvulla heräsi kiinnostus siitä, olisiko mahdollista käyttää kvanttiefektejä Einsteinin suhteellisuusteorian kumoamiseen. Jos olisi mahdollista kloonata tuntematon kvanttitila, olisi mahdollista käyttää kietoutuneita kvanttitiloja tiedon välittämiseen valonnopeutta nopeammin, mikä kumoaa Einsteinin teorian. Kloonaamattomuuslause osoitti kuitenkin, että tällainen kloonaus on mahdotonta. Lause oli yksi kvanttiinformaatioteorian varhaisimmista tuloksista.
Kehitys kryptografiasta
Huolimatta kaikesta jännityksestä ja kiinnostuksesta erillisten kvanttijärjestelmien tutkimiseen ja suhteellisuusteorian kiertämiseen, kvanttitietoteorian tutkimus pysähtyi 1980-luvulla. Kuitenkin suunnilleen samaan aikaan kvanttiinformaation ja laskennan parissa alkoi tunkeutua toinen tie: kryptografia. Yleisessä mielessä kryptografia on ongelma, joka liittyy kahden tai useamman osapuolen kommunikointiin tai laskemiseen, jotka eivät ehkä luota toisiinsa.
Bennett ja Brassard kehittivät viestintäkanavan, jota on mahdotonta salakuunnella havaitsematta, tavan kommunikoida salaa pitkiä matkoja käyttäen BB84-kvanttisalausprotokollaa. Keskeisenä ideana oli kvanttimekaniikan perusperiaatteen hyödyntäminen, että havainnointi häiritsee havaintoa, ja salakuuntelijan käyttöönotto suojatussa viestintälinjassa antaa välittömästi molemmille kommunikaatiota yrittäville osapuolille tiedon salakuuntelijan läsnäolosta.
Tietojenkäsittelytieteen ja matematiikan kehitystä
Kun Alan Turingin vallankumoukselliset ideat ohjelmoitavasta tietokoneesta eli Turingin koneesta syntyivät, hän osoitti, että mikä tahansa reaalimaailman laskenta voidaan kääntää vastaavaksi laskennaksi, jossa on mukana Turingin kone. Tätä kutsutaan Church–Turing-teesiksi.
Pian ensimmäiset tietokoneet valmistettiin ja tietokonelaitteistot kasvoivat niin nopeasti, että tuotanto kokenut kasvu koodautui empiiriseksi suhteeksi, jota kutsutaan Mooren laiksi. Tämä "laki" on projektiivinen trendi, jonka mukaan transistorien määrä integroidussa piirissä kaksinkertaistuu joka toinen vuosi. Kun transistorit alkoivat pienentyä ja pienentyä saadakseen enemmän tehoa pinta-alaa kohden, elektroniikassa alkoi näkyä kvanttiefektejä, mikä johti tahattomiin häiriöihin. Tämä johti kvanttilaskentaan, joka käytti kvanttimekaniikkaa algoritmien suunnitteluun.
Tässä vaiheessa kvanttitietokoneet lupasivat olla paljon nopeampia kuin klassiset tietokoneet tietyissä erityisongelmissa. Erään tällaisen esimerkkiongelman kehittivät David Deutsch ja Richard Jozsa, joka tunnetaan nimellä Deutsch-Jozsa-algoritmi. Tällä ongelmalla oli kuitenkin vain vähän tai ei ollenkaan käytännön sovellutuksia. Peter Shor keksi vuonna 1994 erittäin tärkeän ja käytännöllisen ongelman, yhden kokonaisluvun alkutekijöiden löytämisen. Diskreetti logaritmiongelma, kuten sitä kutsuttiin, voitaisiin ratkaista tehokkaasti kvanttitietokoneella, mutta ei klassisella tietokoneella, mikä osoittaa, että kvanttitietokoneet ovat tehokkaampia kuin Turingin koneet.
Kehitystä informaatioteoriasta
Noin aikoihin tietojenkäsittelytiede teki vallankumouksen, samoin tietoteoria ja viestintä Claude Shannonin kautta. Shannon kehitti kaksi informaatioteorian peruslausetta: äänettömän kanavan koodauslauseen ja meluisen kanavan koodauslauseen. Hän osoitti myös, että virheenkorjauskoodeja voidaan käyttää lähetettävän tiedon suojaamiseen.
Myös kvanttiinformaatioteoria seurasi samanlaista kehityskulkua, Ben Schumacher teki vuonna 1995 analogin Shannonin äänettömälle koodauslauseelle kubitin avulla. Lisäksi kehitettiin virheenkorjauksen teoria, jonka avulla kvanttitietokoneet voivat tehdä tehokkaita laskelmia kohinasta riippumatta ja luotettavaa kommunikaatiota kohinaisten kvanttikanavien kautta.
Qubitit ja informaatioteoria
Kvanttiinformaatio eroaa voimakkaasti klassisesta informaatiosta, joka sisältää bitin, monilla silmiinpistävällä ja tuntemattomalla tavalla. Vaikka klassisen tiedon perusyksikkö on bitti, kvanttitiedon perusyksikkö on kubitti. Klassista tietoa mitataan Shannonin entropialla, kun taas kvanttimekaaninen analogi on Von Neumannin entropia. Kvanttimekaanisten järjestelmien tilastollinen kokonaisuus on ominaista tiheysmatriisilla. Monet klassisen informaatioteorian entropiamitat voidaan yleistää myös kvanttitapaukseen, kuten Holevo-entropia ja ehdollinen kvanttientropia.
Toisin kuin klassiset digitaaliset tilat (jotka ovat diskreettejä), kubitti on jatkuva-arvoinen, ja se voidaan kuvata Bloch-pallon suunnalla. Huolimatta siitä, että kubitti arvotetaan jatkuvasti tällä tavalla, se on pienin mahdollinen kvanttitiedon yksikkö, ja vaikka kubitin tila on jatkuva-arvoinen, arvoa on mahdotonta mitata tarkasti. Viisi kuuluisaa lausetta kuvaavat kvanttiinformaation manipuloinnin rajoja:
- ei-teleportaatio-lause, joka sanoo, että kubittiä ei voida (kokonaan) muuntaa klassisiksi biteiksi; eli sitä ei voi "lukea" kokonaan,
- ei-kloonauslause, joka estää mielivaltaisen kubitin kopioimisen,
- no-deleting -lause, joka estää mielivaltaisen qubitin poistamisen,
- no-broadcasting -lause, joka estää mielivaltaisen kubitin toimittamisen useille vastaanottajille, vaikka se voidaan siirtää paikasta toiseen (esim. kvanttiteleportaation kautta),
- piilossa oleva teoreema, joka osoittaa kvanttitiedon säilymisen, Nämä lauseet osoittavat, että kvanttiinformaatio universumissa säilyy ja ne avaavat ainutlaatuisia mahdollisuuksia kvanttiinformaation käsittelyssä.
Kvanttitietojen käsittely
Kubitin tila sisältää kaikki sen tiedot. Tämä tila ilmaistaan usein vektorina Bloch-pallolla. Tätä tilaa voidaan muuttaa soveltamalla niihin lineaarisia muunnoksia tai kvanttiportteja. Näitä unitaarisia muunnoksia kuvataan rotaatioina Bloch-pallolla. Klassiset portit vastaavat Boolen logiikan tuttuja operaatioita, kun taas kvanttiportit ovat fyysisiä unitaarisia operaattoreita.
Kvanttijärjestelmien volatiliteetin ja tilojen kopioimisen mahdottomuuden vuoksi kvanttiinformaation tallentaminen on paljon vaikeampaa kuin klassisen tiedon tallentaminen. Siitä huolimatta kvanttivirheenkorjauksen avulla kvanttitieto voidaan periaatteessa silti tallentaa luotettavasti. Kvanttivirheenkorjauskoodien olemassaolo on myös johtanut mahdollisuuteen vikasietoiseen kvanttilaskentaan.
Klassisia bittejä voidaan koodata kubittien konfiguraatioihin ja myöhemmin hakea niistä kvanttiporttien avulla. Yksittäinen kubitti itsessään voi välittää vain yhden bitin saatavilla olevaa klassista tietoa sen valmistelusta. Tämä on Holevon lause. Kuitenkin supertiheässä koodauksessa lähettäjä voi välittää vastaanottajalle kaksi bittiä saatavilla olevaa tietoa yhteisestä tilastaan toimimalla jompaankumpaan kahdesta takertuneesta kubitista.
Kvanttiinformaatiota voidaan siirtää kvanttikanavassa klassisen viestintäkanavan käsitteen mukaisesti. Kvanttiviesteillä on rajallinen koko, mitattuna qubitteinä; Kvanttikanavien kanavakapasiteetti on rajallinen, mitattuna kubitteina sekunnissa.
Kvanttiinformaatiota ja kvanttitiedon muutoksia voidaan mitata kvantitatiivisesti käyttämällä Shannonin entropian analogia, jota kutsutaan von Neumannin entropiaksi.
Joissakin tapauksissa kvanttialgoritmeja voidaan käyttää suorittamaan laskelmia nopeammin kuin mitä tahansa tunnettua klassista algoritmia. Tunnetuin esimerkki tästä on Shorin algoritmi, joka osaa kertoa luvut polynomisessa ajassa, verrattuna parhaisiin klassisiin algoritmeihin, jotka vievät subeksponentiaalista aikaa. Koska tekijöiden jakaminen on tärkeä osa RSA-salauksen turvallisuutta, Shorin algoritmi loi uuden postkvanttisalauksen kentän, joka yrittää löytää salausjärjestelmiä, jotka pysyvät turvallisina myös kvanttitietokoneiden ollessa pelissä. Muita esimerkkejä kvanttiylivaltaa osoittavista algoritmeista ovat Groverin hakualgoritmi, jossa kvanttialgoritmi antaa neliönopeuden parhaaseen mahdolliseen klassiseen algoritmiin verrattuna. Kvanttitietokoneella tehokkaasti ratkaistavien ongelmien monimutkaisuusluokka tunnetaan nimellä BQP.
Kvanttiavainjakelu (QKD) mahdollistaa klassisen tiedon ehdoitta turvallisen siirron, toisin kuin klassinen salaus, joka voidaan aina rikkoa periaatteessa, ellei käytännössä. Huomaa, että tietyistä hienovaraisista QKD:n turvallisuutta koskevista kohdista keskustellaan edelleen kiivaasti.
Kaikkien edellä mainittujen aiheiden ja erojen tutkiminen käsittää kvanttiinformaatioteorian.
Suhde kvanttimekaniikkaan
Kvanttimekaniikka on tutkimus siitä, kuinka mikroskooppiset fyysiset järjestelmät muuttuvat dynaamisesti luonnossa. Kvanttitietoteorian alalla tutkitut kvanttijärjestelmät on abstrahoitu pois kaikista todellisen maailman vastineista. Kubitti voi esimerkiksi fyysisesti olla fotoni lineaarisessa optisessa kvanttitietokoneessa, ioni loukkuun jääneessä ionikvanttitietokoneessa tai se voi olla suuri kokoelma atomeja kuten suprajohtavassa kvanttitietokoneessa. Riippumatta fyysisestä toteutuksesta, kvanttiinformaatioteorian implisiittiset kubittien rajat ja piirteet ovat voimassa, koska kaikki nämä järjestelmät kuvataan matemaattisesti samalla tiheysmatriisien laitteistolla kompleksilukujen yli. Toinen tärkeä ero kvanttimekaniikkaan on se, että vaikka kvanttimekaniikka tutkii usein äärettömän ulottuvia järjestelmiä, kuten harmonista oskillaattoria, kvanttiinformaatioteoria koskee sekä jatkuvatoimisia että äärellisulotteisia järjestelmiä.
Kvanttilaskenta
Kvanttilaskenta on eräänlainen laskenta, joka hyödyntää kvanttitilojen kollektiivisia ominaisuuksia, kuten superpositiota, interferenssiä ja kietoutumista, laskelmien suorittamiseen. Kvanttilaskentaa suorittavat laitteet tunnetaan kvanttitietokoneina.: I-5 Vaikka nykyiset kvanttitietokoneet ovat liian pieniä ylittääkseen tavanomaiset (klassiset) tietokoneet käytännön sovelluksissa, niiden uskotaan pystyvän ratkaisemaan tiettyjä laskentaongelmia, kuten kokonaislukujen tekijöiden jakamista. (joka on RSA-salauksen taustalla), huomattavasti nopeampi kuin perinteiset tietokoneet. Kvanttilaskennan tutkimus on kvanttitietotieteen alaala.
Kvanttilaskenta alkoi vuonna 1980, kun fyysikko Paul Benioff ehdotti Turingin koneen kvanttimekaanista mallia. Richard Feynman ja Yuri Manin ehdottivat myöhemmin, että kvanttitietokoneella oli potentiaalia simuloida asioita, joita klassinen tietokone ei pystyisi toteuttamaan. Vuonna 1994 Peter Shor kehitti kvanttialgoritmin kokonaislukujen laskemiseen, joilla on mahdollisuus purkaa RSA-salatun viestinnän salaus. Vuonna 1998 Isaac Chuang, Neil Gershenfeld ja Mark Kubinec loivat ensimmäisen kahden kubitin kvanttitietokoneen, joka pystyi suorittamaan laskelmia. Huolimatta jatkuvasta kokeellisesta edistymisestä 1990-luvun lopulta lähtien, useimmat tutkijat uskovat, että "vikasietoinen kvanttilaskenta [on] edelleen melko kaukainen unelma". Viime vuosina investoinnit kvanttilaskentaan ovat lisääntyneet julkisella ja yksityisellä sektorilla. Googlen tekoäly väitti 23. lokakuuta 2019 yhteistyössä Yhdysvaltain kansallisen ilmailu- ja avaruushallinnon (NASA) kanssa suorittaneensa kvanttilaskennan, joka ei ollut mahdollista millään klassisella tietokoneella, mutta onko väite pätevä tai edelleen, on aihetta aktiivista tutkimusta.
Kvanttitietokoneita (tunnetaan myös kvanttilaskentajärjestelminä) on useita tyyppejä, mukaan lukien kvanttipiirimalli, kvantti-Turing-kone, adiabaattinen kvanttitietokone, yksisuuntainen kvanttitietokone ja erilaiset kvanttisoluautomaatit. Yleisimmin käytetty malli on kvanttibittiin perustuva kvanttipiiri eli "qubit", joka on jossain määrin analoginen klassisen laskennan bitin kanssa. Kubitti voi olla 1- tai 0-kvanttitilassa tai 1- ja 0-tilojen superpositiossa. Mitattaessa se on kuitenkin aina 0 tai 1; kumman tahansa tuloksen todennäköisyys riippuu kubitin kvanttitilasta välittömästi ennen mittausta.
Fyysisen kvanttitietokoneen rakentamispyrkimykset keskittyvät teknologioihin, kuten transmoneihin, ioniloukkuihin ja topologisiin kvanttitietokoneisiin, joilla pyritään luomaan korkealaatuisia kubitteja.: 2–13 Nämä kubitit voidaan suunnitella eri tavalla riippuen koko kvanttitietokoneen laskentamallista, olipa kyseessä kvanttilogiikkaportit, kvanttihehkutus tai adiabaattinen kvanttilaskenta. Hyödyllisten kvanttitietokoneiden rakentamiselle on tällä hetkellä useita merkittäviä esteitä. On erityisen vaikeaa ylläpitää kubittien kvanttitiloja, koska ne kärsivät kvanttidekoherenssista ja tilatarkkuudesta. Siksi kvanttitietokoneet vaativat virheenkorjauksen.
Mikä tahansa laskennallinen ongelma, joka voidaan ratkaista klassisella tietokoneella, voidaan ratkaista myös kvanttitietokoneella. Toisaalta mikä tahansa kvanttitietokoneella ratkaistava ongelma voidaan ratkaista myös klassisella tietokoneella, ainakin periaatteessa, jos aikaa on riittävästi. Toisin sanoen kvanttitietokoneet noudattavat Church–Turingin teesiä. Tämä tarkoittaa, että vaikka kvanttitietokoneet eivät tarjoa lisäetuja klassisiin tietokoneisiin verrattuna laskettavuuden kannalta, kvanttialgoritmeilla tiettyjä ongelmia varten on huomattavasti pienempi aikamonimutkaisuus kuin vastaavilla tunnetuilla klassisilla algoritmeilla. Erityisesti kvanttitietokoneiden uskotaan pystyvän ratkaisemaan nopeasti tiettyjä ongelmia, joita mikään klassinen tietokone ei pystyisi ratkaisemaan missään mahdollisessa ajassa – tämä saavutus tunnetaan nimellä "kvanttiylivalta". Kvanttitietokoneisiin liittyvien ongelmien laskennallisen monimutkaisuuden tutkimus tunnetaan kvanttikompleksiteoriana.
Vallitseva kvanttilaskennan malli kuvaa laskentaa kvanttilogiikan porttien verkon kautta. Tätä mallia voidaan pitää klassisen piirin abstraktina lineaarialgebrallisena yleistyksenä. Koska tämä piirimalli noudattaa kvanttimekaniikkaa, kvanttitietokoneen, joka pystyy käyttämään näitä piirejä tehokkaasti, uskotaan olevan fyysisesti toteutettavissa.
Muistilla, joka koostuu n bitistä tietoa, on 2^n mahdollista tilaa. Kaikkia muistitiloja edustavassa vektorissa on siis 2^n merkintää (yksi kutakin tilaa kohti). Tätä vektoria pidetään todennäköisyysvektorina ja se edustaa tosiasiaa, että muisti on löydettävä tietystä tilasta.
Klassisessa näkemyksessä yhden merkinnän arvo olisi 1 (eli 100 %:n todennäköisyys olla tässä tilassa) ja kaikki muut merkinnät olisivat nollia.
Kvanttimekaniikassa todennäköisyysvektorit voidaan yleistää tiheysoperaattoreiksi. Kvanttitilavektoriformalismi otetaan yleensä käyttöön ensin, koska se on käsitteellisesti yksinkertaisempi ja koska sitä voidaan käyttää tiheysmatriisiformalismin sijaan puhtaille tiloille, joissa koko kvanttijärjestelmä tunnetaan.
kvanttilaskentaa voidaan kuvata kvanttilogiikan porttien ja mittausten verkkona. Mikä tahansa mittaus voidaan kuitenkin lykätä kvanttilaskennan loppuun, vaikka tämä lykkäys voi aiheuttaa laskennallisia kustannuksia, joten useimmat kvanttipiirit kuvaavat verkkoa, joka koostuu vain kvanttilogiikkaporteista eikä mittauksista.
Mikä tahansa kvanttilaskenta (joka on yllä olevassa formalismissa mikä tahansa unitaarinen matriisi n kubitin yli) voidaan esittää kvanttilogiikan porttien verkostona melko pienestä porttiperheestä. Porttiperheen valinta, joka mahdollistaa tämän rakenteen, tunnetaan yleisenä porttisarjana, koska tietokone, joka voi ajaa tällaisia piirejä, on universaali kvanttitietokone. Yksi yleinen tällainen sarja sisältää kaikki yhden kubitin portit sekä CNOT-portin ylhäältä. Tämä tarkoittaa, että mikä tahansa kvanttilaskenta voidaan suorittaa suorittamalla sarja yhden kubitin portteja yhdessä CNOT-porttien kanssa. Vaikka tämä porttijoukko on ääretön, se voidaan korvata äärellisellä portilla vetoamalla Solovay-Kitaev-lauseeseen.
Kvanttialgoritmit
Kvanttialgoritmien löytäminen keskittyy tyypillisesti tähän kvanttipiirimalliin, vaikka poikkeuksia, kuten kvanttiadiabaattinen algoritmi, on olemassa. Kvanttialgoritmit voidaan karkeasti luokitella vastaaviin klassisiin algoritmeihin verrattuna saavutetun nopeuden tyypin mukaan.
Kvanttialgoritmeja, jotka tarjoavat enemmän kuin polynominopeuden tunnetuimpaan klassiseen algoritmiin verrattuna, ovat Shorin faktorointialgoritmi ja siihen liittyvät kvanttialgoritmit diskreettien logaritmien laskemiseen, Pellin yhtälön ratkaisemiseen ja yleisemmin Abelin äärellisten ryhmien piilotetun aliryhmäongelman ratkaisemiseen. Nämä algoritmit riippuvat kvantti-Fourier-muunnoksen primitiivistä. Ei ole löydetty matemaattista näyttöä, joka osoittaisi, että yhtä nopeaa klassista algoritmia ei voida löytää, vaikka tätä pidetäänkin epätodennäköisenä.[itsejulkaiseva lähde?] Tietyt oraakkeliongelmat, kuten Simonin ongelma ja Bernstein–Vaziranin ongelma, antavat todistettavasti nopeutta, vaikka tämä on kvanttikyselymallissa, joka on rajoitettu malli, jossa alarajat on paljon helpompi todistaa, eikä se välttämättä tarkoita käytännön ongelmien nopeuttamista.
Muissa ongelmissa, mukaan lukien kvanttifysikaalisten prosessien simulointi kemiasta ja solid-state-fysiikasta, tiettyjen Jones-polynomien approksimaatio ja lineaaristen yhtälöjärjestelmien kvanttialgoritmi, kvanttialgoritmit näyttävät antavan superpolynomin nopeuksia ja ovat BQP-täydellisiä. Koska nämä ongelmat ovat BQP-täydellisiä, yhtä nopea klassinen algoritmi niille tarkoittaisi, että mikään kvanttialgoritmi ei anna superpolynomista nopeutta, jonka uskotaan olevan epätodennäköistä.
Jotkut kvanttialgoritmit, kuten Groverin algoritmi ja amplitudivahvistus, antavat polynomisia nopeuksia vastaaviin klassisiin algoritmeihin verrattuna. Vaikka nämä algoritmit antavat verrattain vaatimattoman neliöllisen nopeuden, ne ovat laajalti sovellettavissa ja antavat siten nopeuksia monenlaisiin ongelmiin. Monet esimerkit todistettavissa olevista kyselyongelmien kvanttinopeuden nopeuksista liittyvät Groverin algoritmiin, mukaan lukien Brassardin, Høyerin ja Tappin algoritmi törmäysten etsimiseen kaksi yhteen funktioissa, joka käyttää Groverin algoritmia, ja Farhin, Goldstonen ja Gutmannin algoritmi NAND-arvojen arvioimiseen. puita, mikä on muunnos hakuongelmasta.
Salausohjelmat
Merkittävä kvanttilaskennan sovellus on hyökkäyksissä tällä hetkellä käytössä oleviin salausjärjestelmiin. Julkisen avaimen salausjärjestelmien turvallisuutta tukevan kokonaislukujen tekijöiden jakamisen uskotaan olevan laskennallisesti mahdotonta tavallisella tietokoneella suurille kokonaisluvuille, jos ne ovat muutaman alkuluvun tuloa (esim. kahden 300-numeroisen alkuluvun tulot). Vertailun vuoksi, kvanttitietokone voisi tehokkaasti ratkaista tämän ongelman käyttämällä Shorin algoritmia sen tekijöiden löytämiseen. Tämä kyky antaisi kvanttitietokoneen rikkoa monia nykyisin käytössä olevia salausjärjestelmiä siinä mielessä, että ongelman ratkaisemiseksi olisi polynomiaikaalgoritmi (kokonaisluvun numeroiden lukumäärässä). Erityisesti useimmat suositut julkisen avaimen salaukset perustuvat kokonaislukujen tekijöihin laskemisen vaikeuteen tai diskreetti logaritmiongelmaan, jotka molemmat voidaan ratkaista Shorin algoritmilla. Erityisesti RSA-, Diffie-Hellman- ja elliptisen käyrän Diffie-Hellman-algoritmit voivat rikkoutua. Niitä käytetään suojattujen Web-sivujen, salatun sähköpostin ja monien muiden tietojen suojaamiseen. Näiden rikkominen vaikuttaisi merkittävästi sähköiseen yksityisyyteen ja tietoturvaan.
Kvanttialgoritmeja vastaan mahdollisesti suojattujen kryptografisten järjestelmien tunnistaminen on aktiivisesti tutkittu aihe postkvanttisalauksen alalla. Jotkut julkisen avaimen algoritmit perustuvat muihin ongelmiin kuin kokonaislukutekijöihin ja diskreeteihin logaritmiongelmiin, joihin Shorin algoritmi soveltuu, kuten McEliece-salausjärjestelmä, joka perustuu koodausteorian ongelmaan. Hilapohjaisia kryptojärjestelmiä ei myöskään tiedetä hajottavan kvanttitietokoneiden toimesta, ja polynomiaikaalgoritmin löytäminen piilotetun dihedraalisen alaryhmän ongelman ratkaisemiseksi, joka rikkoisi monia hilapohjaisia kryptojärjestelmiä, on hyvin tutkittu avoin ongelma. On todistettu, että Groverin algoritmin soveltaminen symmetrisen (salaisen avaimen) algoritmin rikkomiseen raakalla voimalla vaatii aikaa, joka vastaa suunnilleen 2n/2 taustalla olevan kryptografisen algoritmin kutsua, verrattuna noin 2n klassiseen tapaukseen, mikä tarkoittaa, että symmetriset avainten pituudet ovat tehokkaasti puolitettu: AES-256:lla olisi sama suojaus Groverin algoritmia käyttäviä hyökkäyksiä vastaan kuin AES-128:lla on klassista raakaa voimaa vastaan (katso Avaimen koko).
Kvanttisalaus voisi mahdollisesti täyttää joitain julkisen avaimen salauksen toimintoja. Kvanttipohjaiset salausjärjestelmät voisivat siksi olla turvallisempia kuin perinteiset järjestelmät kvanttihakkerointia vastaan.
Hakuongelmat
Tunnetuin esimerkki ongelmasta, joka sallii polynomin kvanttinopeuden, on strukturoimaton haku, merkityn kohteen löytäminen tietokannan n kohteen luettelosta. Tämä voidaan ratkaista Groverin algoritmilla käyttämällä O(sqrt(n))-kyselyitä tietokantaan, neliöllisesti vähemmän kuin klassisten algoritmien edellyttämät Omega(n)-kyselyt. Tässä tapauksessa etu ei ole vain todistettavissa, vaan myös optimaalinen: on osoitettu, että Groverin algoritmi antaa suurimman mahdollisen todennäköisyyden halutun elementin löytämiselle millä tahansa määrällä oraakkelihakuja.
Ongelmilla, jotka voidaan ratkaista Groverin algoritmilla, on seuraavat ominaisuudet:
- Mahdollisten vastausten kokoelmassa ei ole haettavissa olevaa rakennetta,
- Tarkistettavien vastausten määrä on sama kuin algoritmin syötteiden määrä, ja
- On olemassa Boolen funktio, joka arvioi jokaisen syötteen ja määrittää, onko se oikea vastaus
Kaikkiin näihin ominaisuuksiin liittyvissä ongelmissa Groverin algoritmin ajoaika kvanttitietokoneessa skaalautuu syötteiden (tai tietokannan elementtien) lukumäärän neliöjuureksi, toisin kuin klassisten algoritmien lineaarinen skaalaus. Yleinen ongelmaluokka, johon Groverin algoritmia voidaan soveltaa, on Boolen tyydyttävyysongelma, jossa tietokanta, jonka kautta algoritmi iteroituu, on kaikkien mahdollisten vastausten tietokanta. Esimerkki ja (mahdollinen) sovellus tästä on salasanan murskaaja, joka yrittää arvata salasanan. Symmetrinen salauskoodit, kuten Triple DES ja AES, ovat erityisen haavoittuvia tämän tyyppisille hyökkäyksille.
Kvanttijärjestelmien simulointi
Koska kemia ja nanoteknologia ovat riippuvaisia kvanttijärjestelmien ymmärtämisestä, ja sellaisia järjestelmiä on mahdotonta simuloida tehokkaalla tavalla klassisesti, monet uskovat, että kvanttisimulaatio on yksi kvanttilaskennan tärkeimmistä sovelluksista. Kvanttisimulaatiolla voitaisiin myös simuloida atomien ja hiukkasten käyttäytymistä epätavallisissa olosuhteissa, kuten törmätimen sisällä tapahtuvissa reaktioissa. Kvanttisimulaatioita voidaan käyttää ennustamaan hiukkasten ja protonien tulevia polkuja superpositiossa kaksoisrako-kokeessa.[viittaus tarvitaan] Noin 2 % vuotuisesta globaalista energiantuotannosta käytetään typen sitomiseen ammoniakin tuottamiseksi Haber-prosessia varten maataloudessa. lannoiteteollisuudessa, kun taas luonnossa esiintyvät organismit tuottavat myös ammoniakkia. Kvanttisimulaatioita voidaan käyttää ymmärtämään tätä tuotantoa lisäävää prosessia.
Kvanttihehkutus ja adiabaattinen optimointi
Kvanttihehkutus tai adiabaattinen kvanttilaskenta perustuu adiabaattiseen lauseeseen laskelmien suorittamisessa. Yksinkertaiselle Hamiltonille asetetaan perustilaan järjestelmä, joka kehittyy hitaasti monimutkaisemmaksi Hamiltonin, jonka perustila edustaa ratkaisua kyseessä olevaan ongelmaan. Adiabaattinen lause sanoo, että jos kehitys on riittävän hidasta, järjestelmä pysyy perustilassaan koko prosessin ajan.
Koneen oppiminen
Koska kvanttitietokoneet voivat tuottaa tuloksia, joita klassiset tietokoneet eivät pysty tuottamaan tehokkaasti, ja koska kvanttilaskenta on pohjimmiltaan lineaarista algebrallista, jotkut ilmaisevat toiveensa kehittää kvanttialgoritmeja, jotka voivat nopeuttaa koneoppimistehtäviä. Esimerkiksi kvanttialgoritmin lineaarisille yhtälöjärjestelmille tai "HHL-algoritmille", joka on nimetty sen löytäjien Harrow'n, Hassidimin ja Lloydin mukaan, uskotaan nopeuttavan klassisia vastineita. Jotkut tutkimusryhmät ovat viime aikoina tutkineet kvanttihehkutuslaitteiston käyttöä Boltzmann-koneiden ja syvien hermoverkkojen koulutukseen.
Laskennallinen biologia
Laskennallisen biologian alalla kvanttilaskennalla on ollut suuri rooli monien biologisten ongelmien ratkaisemisessa. Yksi tunnetuista esimerkeistä olisi laskennallinen genomiikka ja se, kuinka tietojenkäsittely on lyhentänyt huomattavasti aikaa ihmisen genomin sekvensointiin. Ottaen huomioon, kuinka laskennallinen biologia käyttää yleistä tiedon mallintamista ja tallennusta, sen sovellusten odotetaan syntyvän myös laskennalliseen biologiaan.
Tietokoneavusteinen lääkesuunnittelu ja generatiivinen kemia
Syvägeneratiivisen kemian mallit nousevat tehokkaiksi työkaluiksi lääkekehityksen nopeuttamiseksi. Kaikkien mahdollisten lääkemäisten molekyylien rakennetilan valtava koko ja monimutkaisuus muodostavat kuitenkin merkittäviä esteitä, jotka voitaisiin voittaa tulevaisuudessa kvanttitietokoneilla. Kvanttitietokoneet ovat luonnollisesti hyviä ratkaisemaan monimutkaisia kvantti-monikeho-ongelmia ja voivat siten olla tärkeitä kvanttikemian sovelluksissa. Siksi voidaan odottaa, että kvanttiparannetuista generatiivisista malleista, jotka sisältävät kvantti-GAN:t, voidaan lopulta kehittää perimmäisiä generatiivisen kemian algoritmeja. Hybridiarkkitehtuurit, jotka yhdistävät kvanttitietokoneita syvään klassiseen verkkoon, kuten Quantum Variational Autoencoders, voidaan jo kouluttaa kaupallisesti saatavilla olevilla ankkureilla ja käyttää luomaan uusia lääkemäisiä molekyylirakenteita.
Fyysisten kvanttitietokoneiden kehittäminen
Haasteet
Suuren mittakaavan kvanttitietokoneen rakentamiseen liittyy useita teknisiä haasteita. Fyysikko David DiVincenzo on luetellut seuraavat vaatimukset käytännön kvanttitietokoneelle:
- Fyysisesti skaalautuva lisäämään kubittien määrää,
- Qubit, jotka voidaan alustaa mielivaltaisiksi arvoiksi,
- Kvanttiportit, jotka ovat nopeampia kuin dekoherenssiaika,
- Yleiskäyttöinen porttisarja,
- Qubits, jotka voidaan lukea helposti.
Kvanttitietokoneiden osien hankinta on myös erittäin vaikeaa. Monet kvanttitietokoneet, kuten Googlen ja IBM:n rakentamat, tarvitsevat helium-3:n, ydintutkimuksen sivutuotteen, ja erityisiä suprajohtavia kaapeleita, jotka on valmistanut vain japanilainen Coax Co.
Monikubitisten järjestelmien ohjaus vaatii suuren määrän sähköisten signaalien generoimista ja koordinointia tiukan ja deterministisen ajoituksen resoluutiolla. Tämä on johtanut kvanttiohjaimien kehittämiseen, jotka mahdollistavat rajapinnan kubittien kanssa. Näiden järjestelmien skaalaaminen tukemaan kasvavaa määrää kubitteja on lisähaaste.
Kvanttidekoherenssi
Yksi kvanttitietokoneiden rakentamisen suurimmista haasteista on kvanttidekoherenssin hallitseminen tai poistaminen. Tämä tarkoittaa yleensä järjestelmän eristämistä ympäristöstään, koska vuorovaikutus ulkoisen maailman kanssa saa järjestelmän hajoamaan. On kuitenkin olemassa myös muita epäkoherenssin lähteitä. Esimerkkejä ovat kvanttiportit ja kubittien toteuttamiseen käytetyn fyysisen järjestelmän hilavärähtely ja taustalämpöydinspin. Epäkoherenssi on peruuttamatonta, koska se on käytännössä epäyhtenäistä, ja sitä tulisi yleensä valvoa tarkasti, ellei sitä vältetä. Etenkin ehdokasjärjestelmien dekoherenssiajat, poikittaisrelaksaatioaika T2 (NMR- ja MRI-tekniikassa, jota kutsutaan myös vaiheenpoistoajaksi), vaihtelevat tyypillisesti nanosekuntien ja sekuntien välillä matalassa lämpötilassa. Tällä hetkellä jotkin kvanttitietokoneet vaativat, että niiden kubitit jäähdytetään 20 millikelviniin (yleensä laimennusjääkaappia käyttäen) merkittävän dekoherenssin estämiseksi. Vuoden 2020 tutkimuksessa väitetään, että ionisoiva säteily, kuten kosmiset säteet, voi kuitenkin saada tietyt järjestelmät hajoamaan millisekunneissa.
Tämän seurauksena aikaa vievät tehtävät voivat tehdä joistakin kvanttialgoritmeista toimintakyvyttömiä, koska kubittien tilan ylläpitäminen riittävän pitkään korruptoi lopulta superpositiot.
Nämä ongelmat ovat vaikeampia optisille lähestymistavoille, koska aikaskaalat ovat suuruusluokkaa lyhyempiä ja usein mainittu lähestymistapa niiden ratkaisemiseen on optinen pulssin muotoilu. Virhemäärät ovat tyypillisesti verrannollisia toiminta-ajan ja dekoherenssiajan suhteeseen, joten mikä tahansa toiminto on suoritettava paljon nopeammin kuin dekoherenssiaika.
Kuten kvanttikynnyslauseessa on kuvattu, jos virhesuhde on tarpeeksi pieni, uskotaan olevan mahdollista käyttää kvanttivirheen korjausta virheiden ja dekoherenssin vaimentamiseen. Tämä sallii kokonaislaskenta-ajan olla pidempi kuin dekoherenssiaika, jos virheenkorjausmenetelmä voi korjata virheet nopeammin kuin dekoherenssi tuo ne esiin. Usein lainattu luku vaaditulle virhesuhteelle kussakin portissa vikasietoisessa laskennassa on 10-3, jos kohina on depolarisoivaa.
Tämä skaalautuvuusehto on mahdollista useissa eri järjestelmissä. Virheenkorjauksen käyttö tuo kuitenkin mukanaan tarvittavien kubittien huomattavasti lisääntyneen määrän kustannuksia. Luku, joka tarvitaan kokonaislukujen kertomiseen Shorin algoritmia käyttäen, on edelleen polynomi, ja sen ajatellaan olevan L:n ja L2:n välillä, missä L on tekijän luvun numeroiden lukumäärä; virheenkorjausalgoritmit kasvattaisivat tätä lukua lisäkertoimella L. 1000-bittiselle luvulle tämä tarkoittaa noin 104 bitin tarvetta ilman virheenkorjausta. Virheenkorjauksella luku nousisi noin 107 bittiin. Laskentaaika on noin L2 eli noin 107 askelta ja 1 MHz:llä noin 10 sekuntia.
Hyvin erilainen lähestymistapa stabiilisuus-dekoherenssi-ongelmaan on luoda topologinen kvanttitietokone, jossa on anyoneja, kvasihiukkasia, joita käytetään säikeinä ja jotka luottavat punosteoriaan stabiilien logiikkaporttien muodostamiseksi.
Kvantti-ylivalta
Kvanttiylivalta on John Preskillin keksimä termi, joka viittaa insinöörin saavutukseen osoittaakseen, että ohjelmoitava kvanttilaite voi ratkaista ongelman, joka ylittää uusimman tekniikan klassisten tietokoneiden kyvyt. Ongelman ei tarvitse olla hyödyllinen, joten jotkut pitävät kvanttiylivaltatestiä vain mahdollisena tulevaisuuden vertailukohtana.
Lokakuussa 2019 Google AI Quantum NASAn avustuksella väitti ensimmäisenä saavuttaneensa kvanttiylivallan suorittamalla laskelmia Sycamore-kvanttitietokoneella yli 3,000,000 XNUMX XNUMX kertaa nopeammin kuin ne voitaisiin tehdä Summitissa, jota pidetään yleisesti maailman nopeimpana. tietokone. Tämä väite on sittemmin kyseenalaistettu: IBM on todennut, että Summit pystyy suorittamaan näytteitä paljon väitettyä nopeammin, ja tutkijat ovat sittemmin kehittäneet parempia algoritmeja näytteenottoongelmaan, jota käytetään kvanttiylivallan vaatimiseen, mikä vähentää merkittävästi Sycamoren ja Sycamoren ja sen välistä kuilua tai sulkee sen. klassisia supertietokoneita.
Joulukuussa 2020 ryhmä USTC:ssä toteutti bosonin näytteenoton 76 fotonissa fotonisella kvanttitietokoneella Jiuzhangilla kvanttiylivallan osoittamiseksi. Kirjoittajat väittävät, että klassinen nykyaikainen supertietokone vaatisi 600 miljoonan vuoden laskenta-ajan tuottaakseen sen määrän näytteitä, jotka niiden kvanttiprosessori pystyy tuottamaan 20 sekunnissa. 16. marraskuuta 2021 Kvanttilaskennan huippukokouksessa IBM esitteli 127 kubitin mikroprosessorin nimeltä IBM Eagle.
Fyysiset toteutukset
Kvanttitietokoneen fyysistä toteuttamista varten etsitään monia erilaisia ehdokkaita, joiden joukossa (jotka erottuu kubittien toteuttamiseen käytetystä fyysisestä järjestelmästä):
- Suprajohtava kvanttilaskenta (pienten suprajohtavien piirien tilalla toteutettu qubit, Josephson-liitokset)
- Loukkuun jääneiden ionien kvanttitietokone (kubitti, joka toteutetaan loukkuun jääneiden ionien sisäisellä tilalla)
- Neutraalit atomit optisissa hilassa (kubitti toteutetaan optiseen hilaan loukkuun jääneiden neutraalien atomien sisäisillä tiloilla)
- Kvanttipistetietokone, spin-pohjainen (esim. Loss-DiVincenzo-kvanttitietokone) (loukkuun jääneiden elektronien spin-tilojen antama qubit)
- Kvanttipistetietokone, spatiaalipohjainen (kubitti annettu elektronin sijainnista kaksoiskvanttipisteessä)
- Kvanttilaskenta käyttämällä suunniteltuja kvanttikuivoja, mikä voisi periaatteessa mahdollistaa huoneenlämmössä toimivien kvanttitietokoneiden rakentamisen
- Kytketty kvanttilanka (kubitti toteutettu parilla kvanttijohtoja, jotka on kytketty kvanttipistekoskettimella)
- Ydinmagneettiresonanssikvanttitietokone (NMRQC), joka on toteutettu liuoksessa olevien molekyylien ydinmagneettisella resonanssilla, jossa kubitit saadaan aikaan ydinspinnillä liuenneen molekyylin sisällä ja tutkitaan radioaaloilla
- Solid-state-NMR Kane -kvanttitietokoneet (kubitti, joka toteutuu fosforin luovuttajien ydinspin-tilassa piissä)
- Elektronit heliumilla kvanttitietokoneet (qubit on elektronien spin)
- Onkalon kvanttielektrodynamiikka (CQED) (kubitti, joka saadaan loukkuun jääneiden atomien sisäisestä tilasta yhdistettynä erittäin hienoihin onteloihin)
- Molekyylimagneetti (kubitti spin-tiloilla)
- Fullereenipohjainen ESR-kvanttitietokone (qubit perustuu fullereeneihin koteloitujen atomien tai molekyylien elektroniseen spiniin)
- Epälineaarinen optinen kvanttitietokone (kubitit, jotka saadaan prosessoimalla eri valomuotojen tiloja sekä lineaaristen että epälineaaristen elementtien läpi)
- Lineaarinen optinen kvanttitietokone (kubitit, jotka saadaan prosessoimalla eri valomuotojen tiloja lineaaristen elementtien, esim. peilien, säteenjakajien ja vaiheensiirtimien kautta)
- Timanttipohjainen kvanttitietokone (kubitti, joka toteutetaan timantissa olevien typpivakanssikeskusten elektronisella tai ydinspinällä)
- Bose-Einsteinin kondensaattipohjainen kvanttitietokone
- Transistoripohjainen kvanttitietokone – merkkijono kvanttitietokoneet, joissa on positiivisia reikiä sähköstaattisen loukun avulla
- Harvinaisen maametallin metalli-ioneilla seostetut epäorgaaniset kidepohjaiset kvanttitietokoneet (kubitti, joka toteutuu optisten kuitujen lisäaineiden sisäisen elektronisen tilan avulla)
- Metallin kaltaiset hiilinanopalloihin perustuvat kvanttitietokoneet
- Ehdokkaiden suuri määrä osoittaa, että kvanttilaskenta on nopeasta edistymisestä huolimatta vielä lapsenkengissään.
On olemassa useita kvanttilaskentamalleja, jotka erottuvat peruselementeistä, joissa laskenta hajotetaan. Käytännön toteutuksissa neljä relevanttia laskentamallia ovat:
- Kvanttiporttitaulukko (laskenta, joka on hajotettu muutaman qubitin kvanttiporttien sarjaksi)
- Yksisuuntainen kvanttitietokone (laskenta, joka on jaettu yhden kubitin mittausten sarjaksi, joka on sovellettu erittäin sotkeutuneeseen alkutilaan tai klusteritilaan)
- Adiabaattinen kvanttitietokone, joka perustuu kvanttihehkutukseen (laskenta hajosi alkuperäisen Hamiltonin hitaan jatkuvaan muuntamiseen lopulliseksi Hamiltonin luvuksi, jonka perustilat sisältävät ratkaisun)
- Topologinen kvanttitietokone (laskenta, joka on hajotettu 2D-hilassa olevien anyonien punokseen)
Turingin kvanttikone on teoriassa tärkeä, mutta tämän mallin fyysinen toteutus ei ole mahdollista. Kaikki neljä laskentamallia on osoitettu vastaaviksi; kumpikin voi simuloida toisiaan enintään polynomisella lisäkululla.
Tutustuaksesi sertifioinnin opetussuunnitelmaan yksityiskohtaisesti voit laajentaa ja analysoida alla olevaa taulukkoa.
EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals -sertifioinnin opetussuunnitelmassa viitataan avoimen pääsyn didaktisiin materiaaleihin videomuodossa. Oppimisprosessi on jaettu vaiheittaiseen rakenteeseen (ohjelmat -> oppitunnit -> aiheet), joka kattaa olennaiset opetussuunnitelman osat. Tarjolla on myös rajoittamaton konsultointi toimialueen asiantuntijoiden kanssa.
Katso tarkemmat tiedot sertifiointimenettelystä Miten se toimii.
Päämuistiinpanot
U. Vazirani luentomuistiinpanot:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
Tukevat luentomuistiinpanot
L. Jackak et ai. luentomuistiinpanot (lisämateriaalin kera):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
Tärkein tukioppikirja
Kvanttilaskennan ja kvanttiinformaation oppikirja (Nielsen, Chuang):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
Lisäluentomuistiinpanot
J. Preskill luentomuistiinpanot:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
A. Childin luentomuistiinpanot:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
S. Aaronson luentomuistiinpanot:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
R. de Wolfin luentomuistiinpanot:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
Muita suositeltavia oppikirjoja
Klassinen ja kvanttilaskenta (Kitaev, Shen, Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
Kvanttilaskentaa Demokrituksesta lähtien (Aaronson)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
Kvanttitiedon teoria (Watrous)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
Kvanttiinformaatioteoria (Wilde)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
Lataa täydelliset offline-opiskelumateriaalit EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals -ohjelmaa varten PDF-tiedostona
EITC/QI/QIF valmistelumateriaalit – vakioversio
EITC/QI/QIF valmistelumateriaalit – laajennettu versio tarkistuskysymyksillä