Ang EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals ay ang European IT Certification program sa theoretical at praktikal na aspeto ng quantum information at quantum computation, batay sa mga batas ng quantum physics sa halip na sa classical physics at nag-aalok ng mga qualitative advantage sa kanilang mga classical na katapat.
Ang kurikulum ng EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals ay sumasaklaw sa pagpapakilala sa quantum mechanics (kabilang ang pagsasaalang-alang sa double slit experiment at matter wave interference), pagpapakilala sa quantum information (qubits at kanilang geometric na representasyon), light polarization, uncertainty principle, quantum gusot, EPR kabalintunaan, paglabag sa hindi pagkakapantay-pantay ng Bell, pag-abandona sa lokal na realismo, pagpoproseso ng quantum information (kabilang ang unitary transformation, single-qubit at two-qubit gates), no-cloning theorem, quantum teleportation, quantum measurement, quantum computation (kabilang ang pagpapakilala sa multi -qubit system, unibersal na pamilya ng mga gate, reversibility ng computation), quantum algorithms (kabilang ang Quantum Fourier Transform, Simon's algorithm, extended Churh-Turing thesis, Shor'q quantum factoring algorithm, Grover's quantum search algorithm), quantum observable, Shrodinger's equation, qubits pagpapatupad, quantum complexity theory, adiabatic quantum computat ion, BQP, panimula sa spin, sa loob ng sumusunod na istraktura, na sumasaklaw sa komprehensibong video didactic na nilalaman bilang isang sanggunian para sa EITC Certification na ito.
Quantum information ay ang impormasyon ng estado ng isang quantum system. Ito ang pangunahing entidad ng pag-aaral sa quantum information theory, at maaaring manipulahin gamit ang quantum information processing techniques. Ang quantum na impormasyon ay tumutukoy sa parehong teknikal na kahulugan sa mga tuntunin ng Von Neumann entropy at ang pangkalahatang termino ng computational.
Ang quantum information at computation ay isang interdisciplinary field na kinabibilangan ng quantum mechanics, computer science, information theory, philosophy at cryptography kasama ng iba pang larangan. Ang pag-aaral nito ay may kaugnayan din sa mga disiplina tulad ng cognitive science, psychology at neuroscience. Ang pangunahing pokus nito ay ang pagkuha ng impormasyon mula sa bagay sa mikroskopikong sukat. Ang obserbasyon sa agham ay isang pangunahing natatanging criturium ng katotohanan at isa sa pinakamahalagang paraan ng pagkuha ng impormasyon. Samakatuwid ang pagsukat ay kinakailangan upang mabilang ang obserbasyon, na ginagawa itong mahalaga sa pamamaraang siyentipiko. Sa quantum mechanics, dahil sa uncertainty principle, ang mga non-commuting observable ay hindi maaaring tumpak na masusukat nang sabay-sabay, dahil ang eigenstate sa isang batayan ay hindi isang eigenstate sa kabilang batayan. Dahil ang parehong mga variable ay hindi sabay-sabay na mahusay na tinukoy, ang isang quantum state ay hindi kailanman maaaring maglaman ng tiyak na impormasyon tungkol sa parehong mga variable. Dahil sa pangunahing pag-aari na ito ng pagsukat sa quantum mechanics, ang teoryang ito ay maaaring mailalarawan sa pangkalahatan bilang nondeterministic sa kaibahan sa kaibahan sa klasikal na mekanika, na ganap na deterministiko. Ang indeterminism ng quantum states ay nagpapakilala sa impormasyong tinukoy bilang mga estado ng quantum system. Sa mga termino sa matematika, ang mga estadong ito ay nasa mga superposisyon (mga linear na kumbinasyon) ng mga estado ng klasikal na sistema.
Dahil ang impormasyon ay palaging naka-encode sa estado ng isang pisikal na sistema, ito ay pisikal mismo. Habang ang quantum mechanics ay tumatalakay sa pagsusuri ng mga katangian ng bagay sa mikroskopikong antas, ang quantum information science ay nakatuon sa pagkuha ng impormasyon mula sa mga katangiang iyon, at ang quantum computation ay nagmamanipula at nagpoproseso ng quantum information - gumaganap ng mga lohikal na operasyon - gamit ang quantum information processing techniques.
Ang impormasyon ng quantum, tulad ng klasikal na impormasyon, ay maaaring iproseso gamit ang mga computer, mailipat mula sa isang lokasyon patungo sa isa pa, manipulahin gamit ang mga algorithm, at sinusuri gamit ang computer science at matematika. Tulad ng pangunahing yunit ng klasikal na impormasyon ay ang bit, ang quantum na impormasyon ay tumatalakay sa mga qubit, na maaaring umiral sa superposisyon ng 0 at 1 (sabay-sabay na medyo totoo at mali). Ang quantum information ay maaari ding umiral sa tinatawag na entangled states, na nagpapakita ng puro non-classical non-local correlations sa kanilang mga sukat, na nagbibigay-daan sa mga application gaya ng quantum teleportation. Maaaring masukat ang antas ng pagkagambala gamit ang Von Neumann entropy, na isa ring sukatan ng impormasyon sa kabuuan. Kamakailan, ang larangan ng quantum computing ay naging isang napakaaktibong lugar ng pananaliksik dahil sa posibilidad na makagambala sa modernong pagkalkula, komunikasyon, at cryptography.
Ang kasaysayan ng quantum information ay nagsimula sa pagpasok ng ika-20 siglo nang ang classical physics ay binago sa quantum physics. Ang mga teorya ng klasikal na pisika ay hinuhulaan ang mga kahangalan tulad ng ultraviolet catastrophe, o mga electron na umiikot sa nucleus. Sa una ang mga problemang ito ay isinantabi sa pamamagitan ng pagdaragdag ng ad hoc hypothesis sa klasikal na pisika. Di-nagtagal, naging maliwanag na ang isang bagong teorya ay dapat malikha upang magkaroon ng kahulugan sa mga kamangmangan na ito, at ang teorya ng quantum mechanics ay ipinanganak.
Ang quantum mechanics ay binuo ni Schrödinger gamit ang wave mechanics at Heisenberg gamit ang matrix mechanics. Ang pagkakapareho ng mga pamamaraang ito ay napatunayan sa ibang pagkakataon. Inilarawan ng kanilang mga formulation ang dinamika ng mga microscopic system ngunit may ilang hindi kasiya-siyang aspeto sa paglalarawan ng mga proseso ng pagsukat. Si Von Neumann ay bumalangkas ng quantum theory gamit ang operator algebra sa paraang inilarawan nito ang pagsukat pati na rin ang dinamika. Ang mga pag-aaral na ito ay nagbigay-diin sa mga pilosopikal na aspeto ng pagsukat sa halip na isang quantitative na diskarte sa pagkuha ng impormasyon sa pamamagitan ng mga sukat.
Noong 1960s, iminungkahi nina Stratonovich, Helstrom at Gordon ang isang pagbabalangkas ng mga optical na komunikasyon gamit ang quantum mechanics. Ito ang unang makasaysayang hitsura ng quantum information theory. Pangunahing pinag-aralan nila ang mga probabilidad ng error at mga kapasidad ng channel para sa komunikasyon. Nang maglaon, nakakuha si Holevo ng pinakamataas na hangganan ng bilis ng komunikasyon sa paghahatid ng isang klasikal na mensahe sa pamamagitan ng isang quantum channel.
Noong 1970s, nagsimulang mabuo ang mga diskarte para sa pagmamanipula ng single-atom quantum state, gaya ng atom trap at scanning tunneling microscope, na ginagawang posible na ihiwalay ang mga single atoms at ayusin ang mga ito sa mga arrays. Bago ang mga pag-unlad na ito, hindi posible ang tumpak na kontrol sa mga solong sistema ng quantum, at ang mga eksperimento ay gumamit ng mas magaspang, sabay-sabay na kontrol sa isang malaking bilang ng mga sistema ng quantum. Ang pag-unlad ng mabubuhay na mga diskarte sa pagmamanipula ng solong estado ay humantong sa pagtaas ng interes sa larangan ng quantum information at computation.
Noong 1980s, lumitaw ang interes sa kung posible bang gumamit ng mga quantum effect upang pabulaanan ang teorya ng relativity ni Einstein. Kung posible na mag-clone ng hindi kilalang quantum state, posibleng gumamit ng entangled quantum states upang magpadala ng impormasyon nang mas mabilis kaysa sa bilis ng liwanag, na pinabulaanan ang teorya ni Einstein. Gayunpaman, ang no-cloning theorem ay nagpakita na ang naturang cloning ay imposible. Ang theorem ay isa sa mga pinakaunang resulta ng quantum information theory.
Pag-unlad mula sa cryptography
Sa kabila ng lahat ng kaguluhan at interes sa pag-aaral ng mga nakahiwalay na quantum system at pagsisikap na humanap ng paraan upang iwasan ang teorya ng relativity, ang pananaliksik sa quantum information theory ay naging stagnant noong 1980s. Gayunpaman, sa parehong oras nagsimula ang isa pang avenue sa pagpasok sa quantum information at computation: Cryptography. Sa pangkalahatang kahulugan, ang cryptography ay ang problema ng paggawa ng komunikasyon o pagkalkula na kinasasangkutan ng dalawa o higit pang partido na maaaring hindi nagtitiwala sa isa't isa.
Binuo nina Bennett at Brassard ang channel ng komunikasyon kung saan imposibleng mag-eavesdrop nang hindi natukoy, isang paraan ng lihim na pakikipag-usap sa malalayong distansya gamit ang BB84 quantum cryptographic protocol. Ang pangunahing ideya ay ang paggamit ng pangunahing prinsipyo ng quantum mechanics na ang pagmamasid ay nakakagambala sa naobserbahan, at ang pagpapakilala ng isang eavesdropper sa isang secure na linya ng komunikasyon ay magbibigay-daan kaagad sa dalawang partido na sinusubukang makipag-usap na malaman ang pagkakaroon ng eavesdropper.
Pag-unlad mula sa computer science at matematika
Sa pagdating ng mga rebolusyonaryong ideya ni Alan Turing ng isang programmable computer, o Turing machine, ipinakita niya na ang anumang real-world computation ay maaaring isalin sa isang katumbas na computation na kinasasangkutan ng Turing machine. Ito ay kilala bilang Church–Turing thesis.
Sa lalong madaling panahon, ang mga unang computer ay ginawa at ang computer hardware ay lumago sa napakabilis na bilis na ang paglago, sa pamamagitan ng karanasan sa produksyon, ay na-codified sa isang empirical na relasyon na tinatawag na batas ni Moore. Ang 'batas' na ito ay isang projective trend na nagsasaad na ang bilang ng mga transistor sa isang integrated circuit ay dumodoble kada dalawang taon. Habang ang mga transistor ay nagsimulang maging mas maliit at mas maliit upang mag-pack ng mas maraming kapangyarihan sa bawat surface area, ang mga quantum effect ay nagsimulang magpakita sa electronics na nagreresulta sa hindi sinasadyang interference. Ito ay humantong sa pagdating ng quantum computing, na gumamit ng quantum mechanics upang magdisenyo ng mga algorithm.
Sa puntong ito, ang mga quantum computer ay nagpakita ng pangako ng pagiging mas mabilis kaysa sa mga klasikal na computer para sa ilang partikular na problema. Ang isang halimbawang problema ay binuo nina David Deutsch at Richard Jozsa, na kilala bilang Deutsch–Jozsa algorithm. Gayunpaman, ang problemang ito ay hindi gaanong praktikal na mga aplikasyon. Si Peter Shor noong 1994 ay nagkaroon ng isang napakahalaga at praktikal na problema, isa sa paghahanap ng mga pangunahing salik ng isang integer. Ang discrete logarithm problem gaya ng tawag dito, ay mahusay na malulutas sa isang quantum computer ngunit hindi sa isang classical na computer kaya ipinapakita na ang mga quantum computer ay mas malakas kaysa sa Turing machine.
Pag-unlad mula sa teorya ng impormasyon
Sa mga oras na ang computer science ay gumagawa ng isang rebolusyon, gayundin ang teorya ng impormasyon at komunikasyon, sa pamamagitan ni Claude Shannon. Gumawa si Shannon ng dalawang pangunahing teorema ng teorya ng impormasyon: walang ingay na channel coding theorem at maingay na channel coding theorem. Ipinakita rin niya na ang mga error correcting code ay maaaring gamitin upang protektahan ang impormasyong ipinapadala.
Ang quantum information theory ay sumunod din sa isang katulad na trajectory, si Ben Schumacher noong 1995 ay gumawa ng analogue sa walang ingay na coding theorem ni Shannon gamit ang qubit. Isang teorya ng error-correction din ang nabuo, na nagpapahintulot sa mga quantum computer na gumawa ng mahusay na pagkalkula anuman ang ingay, at gumawa ng maaasahang komunikasyon sa mga maingay na quantum channel.
Qubits at teorya ng impormasyon
Malaki ang pagkakaiba ng quantum information sa classical na impormasyon, na inilarawan ng kaunti, sa maraming kapansin-pansin at hindi pamilyar na mga paraan. Habang ang pangunahing yunit ng klasikal na impormasyon ay ang bit, ang pinakapangunahing yunit ng quantum na impormasyon ay ang qubit. Ang klasikal na impormasyon ay sinusukat gamit ang Shannon entropy, habang ang quantum mechanical analogue ay Von Neumann entropy. Ang isang statistical ensemble ng mga quantum mechanical system ay nailalarawan sa pamamagitan ng density matrix. Maraming mga sukat ng entropy sa teorya ng klasikal na impormasyon ay maaari ding gawing pangkalahatan sa kaso ng quantum, tulad ng Holevo entropy at ang conditional quantum entropy.
Hindi tulad ng mga klasikal na digital na estado (na discrete), ang isang qubit ay patuloy na pinahahalagahan, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang direksyon sa Bloch sphere. Sa kabila ng patuloy na pagpapahalaga sa ganitong paraan, ang qubit ay ang pinakamaliit na posibleng yunit ng quantum information, at sa kabila ng patuloy na pagpapahalaga sa estado ng qubit, imposibleng sukatin ang halaga nang tumpak. Limang sikat na theorems ang naglalarawan ng mga limitasyon sa pagmamanipula ng quantum information:
- no-teleportation theorem, na nagsasaad na ang isang qubit ay hindi maaaring (buong) ma-convert sa classical bits; ibig sabihin, hindi ito ganap na "basahin",
- no-cloning theorem, na pumipigil sa isang di-makatwirang qubit na makopya,
- no-delete theorem, na pumipigil sa isang arbitrary qubit na matanggal,
- no-broadcasting theorem, na pumipigil sa isang arbitraryong qubit na maihatid sa maraming tatanggap, bagama't maaari itong ilipat mula sa isang lugar patungo sa lugar (hal sa pamamagitan ng quantum teleportation),
- no-hiding theorem, na nagpapakita ng konserbasyon ng quantum information, Ang mga theorem na ito ay nagpapatunay na ang quantum information sa loob ng uniberso ay pinananatili at nagbubukas sila ng mga natatanging posibilidad sa pagpoproseso ng quantum information.
Pagproseso ng dami ng impormasyon
Ang estado ng isang qubit ay naglalaman ng lahat ng impormasyon nito. Ang estado na ito ay madalas na ipinahayag bilang isang vector sa Bloch sphere. Ang estado na ito ay maaaring mabago sa pamamagitan ng paglalapat ng mga linear na pagbabago o quantum gate sa kanila. Ang mga unitary na pagbabagong ito ay inilarawan bilang mga pag-ikot sa Bloch Sphere. Habang ang mga klasikal na gate ay tumutugma sa mga pamilyar na operasyon ng Boolean logic, ang mga quantum gate ay mga pisikal na unitary operator.
Dahil sa pagkasumpungin ng mga quantum system at ang imposibilidad ng pagkopya ng mga estado, ang pag-iimbak ng quantum na impormasyon ay mas mahirap kaysa sa pag-iimbak ng klasikal na impormasyon. Gayunpaman, sa paggamit ng quantum error correction quantum information ay maaari pa ring mapagkakatiwalaang maimbak sa prinsipyo. Ang pagkakaroon ng quantum error correcting codes ay humantong din sa posibilidad ng fault-tolerant quantum computation.
Ang mga klasikal na bit ay maaaring i-encode sa at pagkatapos ay makuha mula sa mga pagsasaayos ng mga qubit, sa pamamagitan ng paggamit ng mga quantum gate. Sa sarili nito, ang isang solong qubit ay maaaring maghatid ng hindi hihigit sa isang piraso ng naa-access na klasikal na impormasyon tungkol sa paghahanda nito. Ito ang teorama ni Holevo. Gayunpaman, sa superdense coding ang isang nagpadala, sa pamamagitan ng pagkilos sa isa sa dalawang gusot na qubit, ay maaaring maghatid ng dalawang piraso ng naa-access na impormasyon tungkol sa kanilang pinagsamang estado sa isang receiver.
Ang quantum na impormasyon ay maaaring ilipat, sa isang quantum channel, na kahalintulad sa konsepto ng isang classical na channel ng komunikasyon. Ang mga quantum na mensahe ay may hangganan na sukat, na sinusukat sa mga qubit; Ang mga quantum channel ay may hangganan na kapasidad ng channel, na sinusukat sa mga qubit bawat segundo.
Quantum information, at mga pagbabago sa quantum information, ay masusukat sa dami sa pamamagitan ng paggamit ng analogue ng Shannon entropy, na tinatawag na von Neumann entropy.
Sa ilang mga kaso, maaaring gamitin ang mga quantum algorithm upang magsagawa ng mga pagkalkula nang mas mabilis kaysa sa anumang kilalang klasikal na algorithm. Ang pinakasikat na halimbawa nito ay ang algorithm ni Shor na maaaring mag-factor ng mga numero sa polynomial time, kumpara sa pinakamahusay na mga classical na algorithm na tumatagal ng sub-exponential time. Dahil ang factorization ay isang mahalagang bahagi ng kaligtasan ng RSA encryption, pinasimulan ng algorithm ni Shor ang bagong larangan ng post-quantum cryptography na sumusubok na makahanap ng mga encryption scheme na nananatiling ligtas kahit na ang mga quantum computer ay gumagana. Ang iba pang mga halimbawa ng mga algorithm na nagpapakita ng quantum supremacy ay kinabibilangan ng Grover's search algorithm, kung saan ang quantum algorithm ay nagbibigay ng quadratic speed-up sa pinakamahusay na posibleng classical algorithm. Ang kumplikadong klase ng mga problema na mahusay na nalulunasan ng isang quantum computer ay kilala bilang BQP.
Binibigyang-daan ng Quantum key distribution (QKD) ang walang kundisyong secure na paghahatid ng klasikal na impormasyon, hindi tulad ng classical na pag-encrypt, na palaging masira sa prinsipyo, kung hindi sa pagsasanay. Tandaan na ang ilang mga banayad na punto tungkol sa kaligtasan ng QKD ay mainit pa ring pinagtatalunan.
Ang pag-aaral ng lahat ng mga paksa at pagkakaiba sa itaas ay binubuo ng quantum information theory.
Kaugnayan sa quantum mechanics
Ang quantum mechanics ay ang pag-aaral kung paano nagbabago ang microscopic physical system sa kalikasan. Sa larangan ng quantum information theory, ang mga quantum system na pinag-aralan ay inilalayo mula sa anumang tunay na katapat ng mundo. Ang isang qubit ay maaaring pisikal na halimbawa ay isang photon sa isang linear optical quantum computer, isang ion sa isang nakulong na ion quantum computer, o maaaring ito ay isang malaking koleksyon ng mga atom tulad ng sa isang superconducting quantum computer. Anuman ang pisikal na pagpapatupad, ang mga limitasyon at tampok ng mga qubit na ipinahiwatig ng quantum information theory ay nananatili dahil ang lahat ng mga sistemang ito ay mathematically na inilalarawan ng parehong apparatus ng density matrices sa mga kumplikadong numero. Ang isa pang mahalagang pagkakaiba sa quantum mechanics ay, habang ang quantum mechanics ay madalas na nag-aaral ng mga infinite-dimensional na sistema tulad ng isang harmonic oscillator, ang quantum information theory ay may kinalaman sa parehong tuluy-tuloy na variable system at finite-dimensional system.
Quantum computation
Ang quantum computing ay isang uri ng computation na ginagamit ang mga collective properties ng quantum states, gaya ng superposition, interference, at entanglement, upang magsagawa ng mga kalkulasyon. Ang mga device na nagsasagawa ng quantum computations ay kilala bilang quantum computers.: I-5 Bagama't ang kasalukuyang mga quantum computer ay masyadong maliit upang makalampas sa karaniwang (klasikal) na mga computer para sa mga praktikal na aplikasyon, ang mga ito ay pinaniniwalaan na may kakayahang lutasin ang ilang partikular na problema sa computational, gaya ng integer factorization (na pinagbabatayan ng RSA encryption), na mas mabilis kaysa sa mga classical na computer. Ang pag-aaral ng quantum computing ay isang subfield ng quantum information science.
Nagsimula ang quantum computing noong 1980 nang iminungkahi ng physicist na si Paul Benioff ang isang quantum mechanical model ng Turing machine. Sa kalaunan ay iminungkahi nina Richard Feynman at Yuri Manin na ang isang quantum computer ay may potensyal na gayahin ang mga bagay na hindi magagawa ng isang klasikal na computer. Noong 1994, si Peter Shor ay bumuo ng isang quantum algorithm para sa factoring integers na may potensyal na i-decrypt ang RSA-encrypted na mga komunikasyon. Noong 1998 nilikha ni Isaac Chuang, Neil Gershenfeld at Mark Kubinec ang unang two-qubit quantum computer na maaaring magsagawa ng mga pagkalkula. Sa kabila ng patuloy na pag-unlad ng eksperimentong mula noong huling bahagi ng dekada 1990, karamihan sa mga mananaliksik ay naniniwala na ang "fault-tolerant quantum computing [ay] isang medyo malayong pangarap pa rin." Sa mga nagdaang taon, tumaas ang pamumuhunan sa pagsasaliksik sa quantum computing sa publiko at pribadong sektor. Noong Oktubre 23, 2019, ang Google AI, sa pakikipagtulungan ng US National Aeronautics and Space Administration (NASA), ay nag-claim na nagsagawa sila ng isang quantum computation na hindi magagawa sa anumang classical na computer, ngunit kung ang claim na ito ay valid o valid pa ay isang paksa ng aktibong pananaliksik.
Mayroong ilang mga uri ng quantum computers (kilala rin bilang quantum computing system), kabilang ang quantum circuit model, quantum Turing machine, adiabatic quantum computer, one-way quantum computer, at iba't ibang quantum cellular automata. Ang pinakakaraniwang ginagamit na modelo ay ang quantum circuit, batay sa quantum bit, o "qubit", na medyo kahalintulad sa bit sa classical na pagtutuos. Ang isang qubit ay maaaring nasa isang 1 o 0 na estadong quantum, o nasa isang superposisyon ng 1 at 0 na mga estado. Kapag ito ay sinusukat, gayunpaman, ito ay palaging 0 o 1; ang posibilidad ng alinmang kinalabasan ay depende sa quantum state ng qubit kaagad bago ang pagsukat.
Ang mga pagsisikap tungo sa pagbuo ng isang pisikal na quantum computer ay nakatuon sa mga teknolohiya tulad ng transmons, ion traps at topological quantum computer, na naglalayong lumikha ng mga de-kalidad na qubit.: 2–13 Ang mga qubit na ito ay maaaring idinisenyo nang iba, depende sa modelo ng computing ng buong quantum computer, kung quantum logic gate, quantum annealing, o adiabatic quantum computation. Sa kasalukuyan ay may ilang makabuluhang hadlang sa pagbuo ng mga kapaki-pakinabang na quantum computer. Ito ay partikular na mahirap upang mapanatili ang quantum states ng qubits, dahil sila ay dumaranas ng quantum decoherence at state fidelity. Samakatuwid, ang mga quantum computer ay nangangailangan ng pagwawasto ng error.
Anumang problema sa computational na maaaring malutas ng isang klasikal na computer ay maaari ding malutas ng isang quantum computer. Sa kabaligtaran, ang anumang problema na maaaring malutas ng isang quantum computer ay maaari ding malutas sa pamamagitan ng isang klasikal na computer, kahit na sa prinsipyo ay binibigyan ng sapat na oras. Sa madaling salita, ang mga quantum computer ay sumusunod sa Church–Turing thesis. Nangangahulugan ito na habang ang mga quantum computer ay hindi nagbibigay ng karagdagang mga pakinabang kaysa sa mga classical na computer sa mga tuntunin ng computability, ang mga quantum algorithm para sa ilang partikular na problema ay may makabuluhang mas mababang pagkakumplikado sa oras kaysa sa katumbas na mga kilalang classical algorithm. Kapansin-pansin, pinaniniwalaan na mabilis na malulutas ng mga quantum computer ang ilang partikular na problema na hindi kayang lutasin ng anumang klasikal na computer sa anumang posibleng tagal ng panahon—isang gawaing kilala bilang "quantum supremacy." Ang pag-aaral ng computational complexity ng mga problema na may kinalaman sa quantum computers ay kilala bilang quantum complexity theory.
Ang umiiral na modelo ng quantum computation ay naglalarawan ng computation sa mga tuntunin ng isang network ng mga quantum logic gate. Ang modelong ito ay maaaring isipin bilang abstract linear-algebraic generalization ng isang classical circuit. Dahil ang modelo ng circuit na ito ay sumusunod sa quantum mechanics, isang quantum computer na may kakayahang mahusay na patakbuhin ang mga circuit na ito ay pinaniniwalaan na pisikal na maisasakatuparan.
Ang isang memorya na binubuo ng n piraso ng impormasyon ay may 2^n posibleng estado. Ang isang vector na kumakatawan sa lahat ng mga estado ng memorya ay mayroong 2^n na mga entry (isa para sa bawat estado). Ang vector na ito ay tinitingnan bilang isang probability vector at kumakatawan sa katotohanan na ang memorya ay matatagpuan sa isang partikular na estado.
Sa classical na view, ang isang entry ay magkakaroon ng value na 1 (ibig sabihin, isang 100% na posibilidad na mapunta sa ganitong estado) at lahat ng iba pang entry ay magiging zero.
Sa quantum mechanics, ang probability vectors ay maaaring gawing pangkalahatan sa mga operator ng density. Ang quantum state vector formalism ay karaniwang ipinakilala muna dahil ito ay mas simple sa konsepto, at dahil ito ay magagamit sa halip na ang density matrix formalism para sa mga purong estado, kung saan ang buong quantum system ay kilala.
ang isang quantum computation ay maaaring ilarawan bilang isang network ng mga quantum logic gate at mga sukat. Gayunpaman, ang anumang pagsukat ay maaaring ipagpaliban sa pagtatapos ng quantum computation, kahit na ang pagpapaliban na ito ay maaaring dumating sa isang computational cost, kaya karamihan sa mga quantum circuit ay naglalarawan ng isang network na binubuo lamang ng mga quantum logic gate at walang mga sukat.
Anumang quantum computation (na, sa itaas na pormalismo, anumang unitary matrix sa n qubits) ay maaaring katawanin bilang isang network ng mga quantum logic gate mula sa isang medyo maliit na pamilya ng mga gate. Ang isang pagpipilian ng pamilya ng gate na nagbibigay-daan sa konstruksiyon na ito ay kilala bilang isang unibersal na set ng gate, dahil ang isang computer na maaaring magpatakbo ng mga naturang circuit ay isang unibersal na quantum computer. Kasama sa isang karaniwang set ang lahat ng single-qubit gate pati na rin ang CNOT gate mula sa itaas. Nangangahulugan ito na ang anumang quantum computation ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pagsasagawa ng isang sequence ng single-qubit gate kasama ng CNOT gates. Kahit na ang hanay ng gate na ito ay walang hanggan, maaari itong mapalitan ng isang may hangganang itinakda ng gate sa pamamagitan ng pag-apila sa Solovay-Kitaev theorem.
Mga algorithm ng dami
Ang pag-unlad sa paghahanap ng mga quantum algorithm ay karaniwang nakatuon sa modelong ito ng quantum circuit, kahit na mayroong mga pagbubukod tulad ng quantum adiabatic algorithm. Ang mga quantum algorithm ay maaaring halos ikategorya ayon sa uri ng speedup na nakamit sa mga katumbas na classical algorithm.
Ang mga quantum algorithm na nag-aalok ng higit sa isang polynomial speedup sa pinakakilalang classical na algorithm ay kinabibilangan ng Shor's algorithm para sa factoring at ang mga nauugnay na quantum algorithm para sa pag-compute ng mga discrete logarithms, paglutas ng Pell's equation, at higit sa pangkalahatan ay paglutas ng nakatagong subgroup na problema para sa abelian finite groups. Ang mga algorithm na ito ay nakasalalay sa primitive ng quantum Fourier transform. Walang nakitang mathematical proof na nagpapakita na hindi matutuklasan ang isang pantay na mabilis na classical algorithm, bagama't ito ay itinuturing na hindi malamang. ay nasa quantum query model, na isang restricted model kung saan mas madaling patunayan ang lower bounds at hindi kinakailangang isalin sa mga speedup para sa mga praktikal na problema.
Iba pang mga problema, kabilang ang simulation ng quantum physical na proseso mula sa chemistry at solid-state physics, ang approximation ng ilang Jones polynomials, at ang quantum algorithm para sa linear system ng mga equation ay may mga quantum algorithm na lumalabas na nagbibigay ng super-polynomial speedups at BQP-complete. Dahil ang mga problemang ito ay kumpleto sa BQP, ang isang pantay na mabilis na classical na algorithm para sa kanila ay magpahiwatig na walang quantum algorithm ang nagbibigay ng super-polynomial speedup, na pinaniniwalaan na hindi malamang.
Ang ilang mga quantum algorithm, tulad ng Grover's algorithm at amplitude amplification, ay nagbibigay ng polynomial speedups sa mga katumbas na classical algorithm. Bagama't ang mga algorithm na ito ay nagbibigay ng medyo katamtaman na quadratic speedup, malawak itong naaangkop at sa gayon ay nagbibigay ng mga speedup para sa malawak na hanay ng mga problema. Maraming halimbawa ng mapapatunayang quantum speedup para sa mga problema sa query ang nauugnay sa algorithm ni Grover, kabilang ang algorithm ng Brassard, Høyer, at Tapp para sa paghahanap ng mga banggaan sa two-to-one na function, na gumagamit ng algorithm ng Grover, at algorithm ng Farhi, Goldstone, at Gutmann para sa pagsusuri ng NAND trees, na isang variant ng problema sa paghahanap.
Mga application ng Cryptographic
Ang isang kapansin-pansing aplikasyon ng quantum computation ay para sa mga pag-atake sa mga cryptographic system na kasalukuyang ginagamit. Ang integer factorization, na sumasailalim sa seguridad ng mga pampublikong key cryptographic system, ay pinaniniwalaan na computationally infeasible sa isang ordinaryong computer para sa malalaking integer kung ang mga ito ay produkto ng ilang prime number (hal, mga produkto ng dalawang 300-digit na prime). Sa paghahambing, ang isang quantum computer ay mahusay na malulutas ang problemang ito gamit ang algorithm ni Shor upang mahanap ang mga salik nito. Ang kakayahang ito ay magpapahintulot sa isang quantum computer na sirain ang marami sa mga cryptographic system na ginagamit ngayon, sa diwa na magkakaroon ng polynomial time (sa bilang ng mga digit ng integer) na algorithm para sa paglutas ng problema. Sa partikular, karamihan sa mga sikat na pampublikong key cipher ay batay sa kahirapan ng factoring integer o ang discrete logarithm problem, na parehong malulutas ng Shor's algorithm. Sa partikular, maaaring masira ang mga algorithm ng RSA, Diffie–Hellman, at elliptic curve na Diffie–Hellman. Ginagamit ang mga ito upang protektahan ang mga secure na Web page, naka-encrypt na email, at marami pang ibang uri ng data. Ang pagsira sa mga ito ay magkakaroon ng makabuluhang epekto para sa electronic privacy at seguridad.
Ang pagtukoy sa mga cryptographic system na maaaring ligtas laban sa mga quantum algorithm ay isang aktibong sinaliksik na paksa sa ilalim ng larangan ng post-quantum cryptography. Ang ilang public-key algorithm ay nakabatay sa mga problema maliban sa integer factorization at discrete logarithm na mga problema kung saan nalalapat ang algorithm ni Shor, tulad ng McEliece cryptosystem batay sa isang problema sa coding theory. Ang mga cryptosystem na nakabatay sa sala-sala ay hindi rin kilala na nasisira ng mga quantum computer, at ang paghahanap ng isang polynomial time algorithm para sa paglutas ng dihedral na nakatagong subgroup na problema, na makakasira sa maraming mga cryptosystem na nakabatay sa sala-sala, ay isang mahusay na pinag-aralan na bukas na problema. Napatunayan na ang paglalapat ng algorithm ng Grover upang masira ang isang simetriko (secret key) algorithm sa pamamagitan ng brute force ay nangangailangan ng oras na katumbas ng humigit-kumulang 2n/2 invocations ng pinagbabatayan na cryptographic algorithm, kumpara sa humigit-kumulang 2n sa classical na kaso, ibig sabihin, ang simetriko na mga haba ng key ay epektibong nahati: Ang AES-256 ay magkakaroon ng parehong seguridad laban sa isang pag-atake gamit ang algorithm ng Grover na mayroon ang AES-128 laban sa klasikal na brute-force na paghahanap (tingnan ang Laki ng key).
Maaaring matupad ng quantum cryptography ang ilan sa mga function ng public key cryptography. Ang mga sistemang cryptographic na nakabatay sa quantum, samakatuwid, ay maaaring maging mas ligtas kaysa sa mga tradisyonal na sistema laban sa pag-hack ng quantum.
Mga problema sa paghahanap
Ang pinakakilalang halimbawa ng isang problema sa pag-amin ng isang polynomial quantum speedup ay hindi nakabalangkas na paghahanap, paghahanap ng isang minarkahang item mula sa isang listahan ng n item sa isang database. Ito ay malulutas sa pamamagitan ng algorithm ni Grover gamit ang O(sqrt(n)) na mga query sa database, quadratically mas kaunti kaysa sa Omega(n) query na kinakailangan para sa mga classical na algorithm. Sa kasong ito, ang kalamangan ay hindi lamang mapapatunayan ngunit pinakamainam din: ito ay ipinakita na ang Grover's algorithm ay nagbibigay ng pinakamataas na posibleng posibilidad na mahanap ang nais na elemento para sa anumang bilang ng mga oracle lookup.
Ang mga problemang maaaring matugunan sa algorithm ng Grover ay may mga sumusunod na katangian:
- Walang mahahanap na istraktura sa koleksyon ng mga posibleng sagot,
- Ang bilang ng mga posibleng sagot na susuriin ay kapareho ng bilang ng mga input sa algorithm, at
- Mayroong boolean function na sinusuri ang bawat input at tinutukoy kung ito ang tamang sagot
Para sa mga problema sa lahat ng mga pag-aari na ito, ang oras ng pagtakbo ng algorithm ni Grover sa isang quantum computer scale bilang square root ng bilang ng mga input (o mga elemento sa database), kumpara sa linear scaling ng mga classical na algorithm. Ang isang pangkalahatang klase ng mga problema kung saan maaaring ilapat ang algorithm ni Grover ay Boolean satisfiability problem, kung saan ang database kung saan umuulit ang algorithm ay ang lahat ng posibleng sagot. Ang isang halimbawa at (posibleng) application nito ay isang password cracker na sumusubok na hulaan ang isang password. Ang mga simetriko cipher tulad ng Triple DES at AES ay partikular na mahina sa ganitong uri ng pag-atake.[kailangan ng banggit] Ang application na ito ng quantum computing ay isang pangunahing interes ng mga ahensya ng gobyerno.
Simulation ng quantum system
Dahil ang chemistry at nanotechnology ay umaasa sa pag-unawa sa mga quantum system, at ang mga ganitong sistema ay imposibleng gayahin sa isang mahusay na paraan sa klasikal na paraan, marami ang naniniwala na ang quantum simulation ay isa sa pinakamahalagang aplikasyon ng quantum computing. Ang quantum simulation ay maaari ding gamitin upang gayahin ang pag-uugali ng mga atom at particle sa mga hindi pangkaraniwang kundisyon gaya ng mga reaksyon sa loob ng isang collider. Maaaring gamitin ang mga quantum simulation upang mahulaan ang mga hinaharap na landas ng mga particle at proton sa ilalim ng superposisyon sa double-slit na eksperimento. industriya ng pataba habang ang mga natural na organismo ay gumagawa din ng ammonia. Maaaring gamitin ang mga quantum simulation upang maunawaan ang prosesong ito sa pagtaas ng produksyon.
Quantum annealing at adiabatic optimization
Ang quantum annealing o Adiabatic quantum computation ay umaasa sa adiabatic theorem upang magsagawa ng mga kalkulasyon. Ang isang sistema ay inilagay sa ground state para sa isang simpleng Hamiltonian, na dahan-dahang umuusbong sa isang mas kumplikadong Hamiltonian na ang ground state ay kumakatawan sa solusyon sa problemang pinag-uusapan. Ang adiabatic theorem ay nagsasaad na kung ang ebolusyon ay sapat na mabagal ang sistema ay mananatili sa kanyang ground state sa lahat ng oras sa pamamagitan ng proseso.
Pag-aaral ng machine
Dahil ang mga quantum computer ay maaaring makagawa ng mga output na hindi kayang gawin ng mga classical na computer nang mahusay, at dahil ang quantum computation ay pangunahing linear algebraic, ang ilan ay nagpahayag ng pag-asa sa pagbuo ng mga quantum algorithm na maaaring mapabilis ang mga gawain sa pag-aaral ng machine. Halimbawa, ang quantum algorithm para sa mga linear na sistema ng mga equation, o "HHL Algorithm", na pinangalanan sa mga nakatuklas nito na sina Harrow, Hassidim, at Lloyd, ay pinaniniwalaang nagbibigay ng bilis sa mga klasikal na katapat. Ginalugad kamakailan ng ilang grupo ng pananaliksik ang paggamit ng quantum annealing hardware para sa pagsasanay ng mga Boltzmann machine at deep neural network.
Computational biology
Sa larangan ng computational biology, malaki ang papel ng quantum computing sa paglutas ng maraming problemang biyolohikal. Ang isa sa mga kilalang halimbawa ay nasa computational genomics at kung paano ang pag-compute ay lubhang nabawasan ang oras sa pagkakasunud-sunod ng isang genome ng tao. Dahil sa kung paano ginagamit ng computational biology ang generic na data modeling at storage, ang mga aplikasyon nito sa computational biology ay inaasahang lalabas din.
Computer-aided na disenyo ng gamot at generative chemistry
Lumilitaw ang malalim na generative chemistry na mga modelo bilang makapangyarihang kasangkapan upang mapabilis ang pagtuklas ng droga. Gayunpaman, ang napakalaking sukat at pagiging kumplikado ng espasyo sa istruktura ng lahat ng posibleng mga molekulang tulad ng droga ay nagdudulot ng mga makabuluhang hadlang, na maaaring madaig sa hinaharap ng mga quantum computer. Ang mga quantum computer ay natural na mahusay para sa paglutas ng mga kumplikadong quantum many-body na mga problema at sa gayon ay maaaring maging instrumento sa mga aplikasyon na kinasasangkutan ng quantum chemistry. Samakatuwid, maaaring asahan ng isang tao na ang mga quantum-enhanced generative na mga modelo kasama ang mga quantum GAN ay maaaring mabuo sa huli sa mga ultimate generative chemistry algorithm. Ang mga hybrid na arkitektura na pinagsasama ang mga quantum computer na may malalim na mga klasikal na network, tulad ng Quantum Variational Autoencoders, ay maaari nang sanayin sa mga komersyal na available na annealer at magamit upang makabuo ng mga bagong istrukturang molekular na tulad ng droga.
Pagbuo ng mga pisikal na quantum computer
Hamon
Mayroong ilang mga teknikal na hamon sa pagbuo ng isang malakihang quantum computer. Inilista ng physicist na si David DiVincenzo ang mga kinakailangang ito para sa isang praktikal na quantum computer:
- Pisikal na nasusukat upang madagdagan ang bilang ng mga qubit,
- Mga Qubit na maaaring masimulan sa mga arbitrary na halaga,
- Quantum gate na mas mabilis kaysa sa decoherence time,
- Universal gate set,
- Qubits na madaling basahin.
Ang pagkuha ng mga bahagi para sa mga quantum computer ay napakahirap din. Maraming mga quantum computer, tulad ng mga ginawa ng Google at IBM, ang nangangailangan ng helium-3, isang nuclear research byproduct, at mga espesyal na superconducting cable na ginawa lamang ng Japanese company na Coax Co.
Ang kontrol ng mga multi-qubit system ay nangangailangan ng pagbuo at koordinasyon ng isang malaking bilang ng mga de-koryenteng signal na may mahigpit at deterministikong resolution ng timing. Ito ay humantong sa pagbuo ng mga quantum controllers na nagpapagana ng interfacing sa mga qubit. Ang pag-scale sa mga system na ito upang suportahan ang lumalaking bilang ng mga qubit ay isang karagdagang hamon.
Quantum decoherence
Ang isa sa mga pinakamalaking hamon na kasangkot sa pagbuo ng mga quantum computer ay ang pagkontrol o pag-alis ng quantum decoherence. Karaniwang nangangahulugan ito na ihiwalay ang system mula sa kapaligiran nito dahil ang mga pakikipag-ugnayan sa panlabas na mundo ay nagiging sanhi ng pag-decohere ng system. Gayunpaman, mayroon ding iba pang mga mapagkukunan ng decoherence. Kasama sa mga halimbawa ang mga quantum gate, at ang mga vibrations ng sala-sala at background na thermonuclear spin ng pisikal na sistema na ginamit upang ipatupad ang mga qubit. Ang dekoherensya ay hindi maibabalik, dahil ito ay epektibong hindi nagkakaisa, at kadalasan ay isang bagay na dapat na lubos na kontrolin, kung hindi maiiwasan. Ang mga oras ng pag-decoherence para sa mga system ng kandidato sa partikular, ang transverse relaxation time na T2 (para sa teknolohiya ng NMR at MRI, na tinatawag ding dephasing time), karaniwang nasa pagitan ng nanosecond at segundo sa mababang temperatura. Sa kasalukuyan, ang ilang mga quantum computer ay nangangailangan ng kanilang mga qubit na palamigin sa 20 millikelvin (karaniwan ay gumagamit ng dilution refrigerator) upang maiwasan ang makabuluhang decoherence. Ang isang pag-aaral noong 2020 ay nangangatwiran na ang ionizing radiation tulad ng mga cosmic ray ay maaari pa ring maging sanhi ng ilang mga system na mag-decohere sa loob ng millisecond.
Bilang resulta, ang mga gawaing nakakaubos ng oras ay maaaring magdulot ng ilang mga quantum algorithm na hindi maoperahan, dahil ang pagpapanatili ng estado ng mga qubit sa loob ng sapat na mahabang tagal ay tuluyang masisira ang mga superposisyon.
Ang mga isyung ito ay mas mahirap para sa mga optical approach dahil ang mga timescale ay mas maikli sa mga order ng magnitude at isang madalas na binabanggit na diskarte sa pagtagumpayan ang mga ito ay optical pulse shaping. Ang mga rate ng error ay karaniwang proporsyonal sa ratio ng oras ng pagpapatakbo sa oras ng decoherence, kaya ang anumang operasyon ay dapat makumpleto nang mas mabilis kaysa sa oras ng decoherence.
Tulad ng inilarawan sa Quantum threshold theorem, kung ang error rate ay sapat na maliit, ito ay naisip na posible na gumamit ng quantum error correction upang sugpuin ang mga error at decoherence. Nagbibigay-daan ito sa kabuuang oras ng pagkalkula na mas mahaba kaysa sa oras ng decoherence kung ang scheme ng pagwawasto ng error ay maaaring magtama ng mga error nang mas mabilis kaysa sa ipinakilala sa kanila ng decoherence. Ang isang madalas na binabanggit na figure para sa kinakailangang rate ng error sa bawat gate para sa fault-tolerant computation ay 10−3, kung ipagpalagay na ang ingay ay depolarizing.
Ang pagtugon sa kundisyong ito sa scalability ay posible para sa malawak na hanay ng mga system. Gayunpaman, ang paggamit ng pagwawasto ng error ay nagdadala ng halaga ng isang lubhang tumaas na bilang ng mga kinakailangang qubit. Ang bilang na kinakailangan upang i-factor ang mga integer gamit ang algorithm ng Shor ay polynomial pa rin, at naisip na nasa pagitan ng L at L2, kung saan ang L ay ang bilang ng mga digit sa numerong isasaalang-alang; ang mga algorithm sa pagwawasto ng error ay magpapalaki sa figure na ito ng karagdagang factor ng L. Para sa isang 1000-bit na numero, ito ay nagpapahiwatig ng pangangailangan para sa humigit-kumulang 104 bits nang walang pagwawasto ng error. Sa pagwawasto ng error, ang figure ay tataas sa humigit-kumulang 107 bits. Ang oras ng pagkalkula ay tungkol sa L2 o humigit-kumulang 107 hakbang at sa 1 MHz, mga 10 segundo.
Ang isang napaka-iba't ibang diskarte sa problema sa stability-decoherence ay ang lumikha ng isang topological quantum computer na may anyons, quasi-particle na ginagamit bilang mga thread at umaasa sa braid theory upang bumuo ng stable logic gates.
Kataas-kayang kataasan
Ang quantum supremacy ay isang terminong likha ni John Preskill na tumutukoy sa engineering feat ng pagpapakita na ang isang programmable quantum device ay makakalutas ng isang problema na lampas sa mga kakayahan ng mga makabagong classical na computer. Ang problema ay hindi kailangang maging kapaki-pakinabang, kaya tinitingnan lamang ng ilan ang quantum supremacy test bilang isang potensyal na benchmark sa hinaharap.
Noong Oktubre 2019, ang Google AI Quantum, sa tulong ng NASA, ang naging unang nag-claim na nakamit niya ang quantum supremacy sa pamamagitan ng pagsasagawa ng mga kalkulasyon sa Sycamore quantum computer nang higit sa 3,000,000 beses na mas mabilis kaysa sa magagawa nila sa Summit, na karaniwang itinuturing na pinakamabilis sa mundo. kompyuter. Ang paghahabol na ito ay kasunod na hinamon: Ang IBM ay nagpahayag na ang Summit ay maaaring magsagawa ng mga sample nang mas mabilis kaysa sa inaangkin, at ang mga mananaliksik mula noon ay bumuo ng mas mahusay na mga algorithm para sa sampling na problema na ginamit upang i-claim ang quantum supremacy, na nagbibigay ng malaking pagbawas sa o ang pagsasara ng agwat sa pagitan ng Sycamore at mga klasikal na supercomputer.
Noong Disyembre 2020, nagpatupad ang isang grupo sa USTC ng isang uri ng Boson sampling sa 76 na photon na may photonic quantum computer na Jiuzhang upang ipakita ang quantum supremacy. Sinasabi ng mga may-akda na ang isang klasikal na kontemporaryong supercomputer ay mangangailangan ng computational time na 600 milyong taon upang makabuo ng bilang ng mga sample na maaaring mabuo ng kanilang quantum processor sa loob ng 20 segundo. Noong Nobyembre 16, 2021 sa quantum computing summit, ipinakita ng IBM ang isang 127-qubit microprocessor na pinangalanang IBM Eagle.
Mga pisikal na pagpapatupad
Para sa pisikal na pagpapatupad ng isang quantum computer, maraming iba't ibang mga kandidato ang hinahabol, kasama ng mga ito (nakikilala ng pisikal na sistema na ginamit upang mapagtanto ang mga qubit):
- Superconducting quantum computing (qubit na ipinatupad ng estado ng maliliit na superconducting circuit, Josephson junctions)
- Trapped ion quantum computer (qubit na ipinatupad ng panloob na estado ng mga trapped ions)
- Mga neutral na atomo sa optical lattice (qubit na ipinapatupad ng mga panloob na estado ng mga neutral na atom na nakulong sa isang optical lattice)
- Quantum dot computer, spin-based (hal. Loss-DiVincenzo quantum computer) (qubit na ibinibigay ng spin states ng mga nakulong na electron)
- Quantum dot computer, spatial-based (qubit na ibinibigay ng electron position sa double quantum dot)
- Quantum computing gamit ang engineered quantum wells, na sa prinsipyo ay maaaring paganahin ang pagtatayo ng mga quantum computer na gumagana sa room temperature
- Coupled quantum wire (qubit na ipinatupad ng isang pares ng quantum wires na pinagsama ng quantum point contact)
- Ang nuclear magnetic resonance quantum computer (NMRQC) ay ipinatupad gamit ang nuclear magnetic resonance ng mga molekula sa solusyon, kung saan ang mga qubit ay ibinibigay ng mga nuclear spin sa loob ng natunaw na molekula at sinusuri ng mga radio wave
- Solid-state NMR Kane quantum computers (qubit na natanto ng nuclear spin state ng mga phosphorus donor sa silicon)
- Mga electron-on-helium quantum computer (qubit ay ang electron spin)
- Cavity quantum electrodynamics (CQED) (qubit na ibinibigay ng panloob na estado ng mga na-trap na atom na isinama sa mga high-finesse na cavity)
- Molecular magnet (qubit na ibinigay ng spin states)
- Fullerene-based ESR quantum computer (qubit batay sa electronic spin ng mga atoms o molecules na nakapaloob sa fullerenes)
- Nonlinear optical quantum computer (mga qubit na natanto sa pamamagitan ng pagproseso ng mga estado ng iba't ibang mga mode ng liwanag sa pamamagitan ng parehong mga linear at nonlinear na elemento)
- Linear optical quantum computer (mga qubit na natanto sa pamamagitan ng pagproseso ng mga estado ng iba't ibang mga mode ng liwanag sa pamamagitan ng mga linear na elemento hal. mga salamin, beam splitter at phase shifter)
- Quantum computer na nakabatay sa diyamante (napagtanto ng qubit sa pamamagitan ng electronic o nuclear spin ng mga nitrogen-vacancy center sa brilyante)
- Bose-Einstein condensate-based na quantum computer
- Transistor-based quantum computer – string quantum computers na may entrainment ng mga positibong butas gamit ang electrostatic trap
- Rare-earth-metal-ion-doped inorganic crystal based quantum computers (qubit realized sa pamamagitan ng internal electronic state ng dopants sa optical fibers)
- Mga quantum computer na tulad ng carbon nanosphere na nakabatay sa metal
- Ang malaking bilang ng mga kandidato ay nagpapakita na ang quantum computing, sa kabila ng mabilis na pag-unlad, ay nasa simula pa lamang.
Mayroong ilang mga modelo ng quantum computing, na nakikilala sa pamamagitan ng mga pangunahing elemento kung saan nabubulok ang pagkalkula. Para sa mga praktikal na pagpapatupad, ang apat na nauugnay na modelo ng pagtutuos ay:
- Quantum gate array (computation decomposed to a sequence of few-qubit quantum gates)
- One-way na quantum computer (nabulok ang computation sa isang sequence ng one-qubit measurements na inilapat sa isang mataas na gusot na paunang estado o cluster state)
- Adiabatic quantum computer, batay sa quantum annealing (computation decomposed sa isang mabagal na tuluy-tuloy na pagbabago ng isang paunang Hamiltonian sa isang panghuling Hamiltonian, na ang ground states ay naglalaman ng solusyon)
- Topological quantum computer (computation decomposed to the braiding of anyons in a 2D lattice)
Ang quantum Turing machine ay theoretically mahalaga ngunit ang pisikal na pagpapatupad ng modelong ito ay hindi magagawa. Ang lahat ng apat na modelo ng pagtutuos ay ipinakita na katumbas; bawat isa ay maaaring gayahin ang isa na may hindi hihigit sa polynomial overhead.
Upang makilala ang iyong sarili nang detalyado sa kurikulum ng sertipikasyon maaari mong palawakin at suriin ang talahanayan sa ibaba.
Ang EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals Certification Curriculum ay tumutukoy sa open-access na mga didactic na materyales sa isang video form. Ang proseso ng pagkatuto ay nahahati sa isang hakbang-hakbang na istraktura (mga programa -> mga aralin -> mga paksa) na sumasaklaw sa mga nauugnay na bahagi ng kurikulum. Ang walang limitasyong pagkonsulta sa mga eksperto sa domain ay ibinibigay din.
Para sa mga detalye sa pamamaraan ng Certification check Paano ito Works.
Pangunahing mga tala sa panayam
U. Vazirani lecture notes:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
Mga pansuportang tala sa panayam
L. Jacak et al. mga tala sa panayam (na may mga pandagdag na materyales):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
Pangunahing pansuportang aklat-aralin
Quantum Computation at Quantum Information textbook (Nielsen, Chuang):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
Karagdagang mga tala sa panayam
J. Preskill lecture notes:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
A. Mga tala sa panayam ng bata:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
S. Aaronson lecture notes:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
Mga tala sa panayam ni R. de Wolf:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
Iba pang inirerekomendang aklat-aralin
Classical at Quantum Computation (Kitaev, Shen, Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
Quantum Computing Mula noong Democritus (Aaronson)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
Ang Teorya ng Quantum Information (Watrous)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
Quantum Information Theory (Wilde)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
I-download ang kumpletong offline na self-learning preparatory materials para sa EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals program sa isang PDF file
Mga materyales sa paghahanda ng EITC/QI/QIF – karaniwang bersyon
Mga materyales sa paghahanda ng EITC/QI/QIF – pinahabang bersyon na may mga tanong sa pagsusuri