Квантовые компьютеры

Тема: Квантовые компьютеры. Квантовые вычисления, Кубиты. Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (квантовая суперпозиция, квантовая запутанность) для передачи и обработки данных. Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов (1)

Кубит (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) — квантовый разряд, или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Как и бит, кубит допускает два собственных состояния, обозначаемых 0> и 1> (обозначения Дирака), но при этом может находиться и в их суперпозиции, то есть в состоянии A0> B1>, где A и B — комплексные числа, удовлетворяющие условию A^2+B^2=1 (2)

При помощи квантовых вычислений можно будет решать задачи, которые трудноразрешимы при использовании обычных цифровых компьютеров. Квантовые алгоритмы с высокой степенью параллелизма могут на несколько порядков уменьшить время вычисления для некоторых задач. В данной книге объясняется, как квантовые компьютеры могут творить столь изумительные вещи. Показывается несколько алгоритмов: дискретное фурье-преобразование, алгоритм Шора для первичной факторизации, алгоритмы для квантовых логических вентилей, физические реализации квантовых логических вентилей на ионах в ловушке и в цепочках спинов, простейшие схемы квантовой коррекции ошибок; коррекция ошибок, вызванных несовершенством резонансных импульсов; коррекция ошибок, вызванных нерезонансным действием и импульсов, а также численное моделирование динамического поведения квантового вентиля CONTROL-NOT. В данной книге также представлен обзор некоторых основных элементов информатики, включая машину Тьюринга, булеву алгебру и логические вентили. Объясняются необходимые квантовые идеи. (3)

Независимо от выбранного варианта физических систем, предназначенных для создания полномасштабного квантового компьютера, превосходящего по своим возможностям любой классический компьютер, во всех случаях должны быть выполнены следующие пять основных требований:

1) Для физической реализации квантового компьютера требуется выделение и фиксирование в пространстве частиц- кубитов, на которые можно было бы в ходе вычислений избирательно воздействовать поодиночке иди попарно и таким образом организовать их квантовую эволюцию, соответствующую выполняемому алгоритму. Физическая система, представляющая полномасштабный квантовый компьютер, должна содержать достаточно большое число таких контролируемых кубитов.

2) Необходимо обеспечить возможность приготовления L кубитов входного регистра в исходном основном базисном состоянии, то сеть возможность процесса инициализации.

3) Необходимо обсчитать помехоустойчивость процессов и максимальное подавление эффектов деногерентизации квантовых состояний, обусловленных взаимодействием системы кубитов с окружающей средой. Дия выполнения этого требования время лекогерентизации должно по крайней мере в 10^4 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (время такта). Ошибка при такой операции должна быть менее 10^7, что считается приемлемым дия работы многокубитового компьютера с использованием соответствующих корректирующих кодов.

4) Поскольку любая унитарная квантовая операция может быть выполнена с помощью определенной совокупности только однокубитовых и двухкубитовых операций, то при выборе физической системы существенно, чтобы между управляемыми кубитами имели место определенные нелинейные взаимодействия, обеспечивающие выполнение двухвубитовых операций. Управляющие операциями импульсы должны контролироватьея с точностью не хуже, чем 10^7

5) Необходимо обоcпечить ее достаточно высокой надежностью изменерение состояния квантовой системы на выходе. Проблема изменения конечного квантового состояния является одной из основных проблем в любых вариантах квантовых компьютеров. (4)

(1) https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовый_компьютер

(2) https://ru.wikipedia.org/wiki/Кубит

(3) Введение в квантовые компьютеры / Г.П. Берман [и др.].— Электрон. текстовые данные.— Москва, Ижевск: Институт компьютерных исследований, Регулярная и хаотическая динамика, 2019.— 188 c.

(4) К.А.Валиев, А.А.Кокин. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Ижевск: РХД, 2001, 352 стр