ЕИТЦ/КИ/КИФ Куантум Информатион Фундаменталс

Историја квантних информација почела је на прелазу из 20. века када је класична физика револуционисана у квантну физику. Теорије класичне физике су предвиђале апсурде као што је ултраљубичаста катастрофа, или спирала електрона у језгро. У почетку су ови проблеми одбачени додавањем ад хоц хипотезе класичној физици. Убрзо је постало очигледно да се мора створити нова теорија како би се разумели ови апсурди, и настала је теорија квантне механике.

Квантну механику је формулисао Шредингер користећи таласну механику, а Хајзенберг користећи матричну механику. Еквиваленција ових метода је касније доказана. Њихове формулације су описивале динамику микроскопских система, али су имале неколико незадовољавајућих аспеката у описивању процеса мерења. Фон Нојман је формулисао квантну теорију користећи алгебру оператора на начин да описује мерење као и динамику. Ове студије су више наглашавале филозофске аспекте мерења него квантитативни приступ издвајању информација путем мерења.

Шездесетих година прошлог века, Стратонович, Хелстром и Гордон су предложили формулацију оптичких комуникација користећи квантну механику. Ово је била прва историјска појава квантне теорије информација. Они су углавном проучавали вероватноће грешке и капацитете канала за комуникацију. Касније је Холево добио горњу границу брзине комуникације у преносу класичне поруке путем квантног канала.

Седамдесетих година прошлог века почеле су да се развијају технике за манипулацију квантним стањима једног атома, као што су атомска замка и скенирајући тунелски микроскоп, што је омогућило да се појединачни атоми изолују и распореде у низове. Пре овог развоја, прецизна контрола над појединачним квантним системима није била могућа, а експерименти су користили грубљу, истовремену контролу над великим бројем квантних система. Развој одрживих техника манипулације са једним стањем довео је до повећаног интересовања у области квантних информација и рачунања.

Осамдесетих година прошлог века појавило се интересовање да ли је могуће користити квантне ефекте за оповргавање Ајнштајнове теорије релативности. Када би било могуће клонирати непознато квантно стање, било би могуће користити заплетена квантна стања за преношење информација брже од брзине светлости, што би оповргло Ајнштајнову теорију. Међутим, теорема о забрани клонирања показала је да је такво клонирање немогуће. Теорема је била један од најранијих резултата квантне теорије информација.

Развој из криптографије

Упркос свом узбуђењу и интересовању због проучавања изолованих квантних система и покушаја да се пронађе начин да се заобиђе теорија релативности, истраживања у квантној теорији информација стагнирала су 1980-их. Међутим, отприлике у исто време други пут је почео да се бави квантним информацијама и рачунарством: криптографија. У општем смислу, криптографија је проблем комуникације или рачунања који укључује две или више страна које можда не верују једна другој.

Бенет и Брассард су развили комуникациони канал на којем је немогуће прислушкивати а да не буде откривен, начин тајне комуникације на великим удаљеностима користећи квантни криптографски протокол ББ84. Кључна идеја била је употреба фундаменталног принципа квантне механике да посматрање омета посматраче, а увођење прислушкивача у безбедну комуникациону линију ће одмах омогућити да две стране које покушавају да комуницирају сазнају за присуство прислушкивача.

Развој из информатике и математике

Са појавом револуционарних идеја Алана Туринга о програмабилном рачунару, или Тјуринговој машини, он је показао да се свако рачунање у стварном свету може превести у еквивалентно израчунавање које укључује Тјурингову машину. Ово је познато као Черч-Тјурингова теза.

Убрзо су направљени први рачунари и компјутерски хардвер је растао тако брзим темпом да је раст, кроз искуство у производњи, кодификован у емпиријски однос назван Муров закон. Овај 'закон' је пројективни тренд који каже да се број транзистора у интегрисаном колу удвостручује сваке две године. Како су транзистори почели да постају све мањи и мањи како би спаковали више снаге по површини, квантни ефекти су почели да се појављују у електроници што је резултирало ненамерним сметњама. Ово је довело до појаве квантног рачунарства, које је користило квантну механику за дизајнирање алгоритама.

У овом тренутку, квантни рачунари су обећали да ће бити много бржи од класичних рачунара за одређене специфичне проблеме. Један такав пример проблема су развили Дејвид Дојч и Ричард Џоза, познат као алгоритам Дојч–Јозса. Овај проблем је, међутим, имао мало или никакву практичну примену. Петер Шор је 1994. године дошао до веома важног и практичног проблема, једног од проналажења основних чинилаца целог броја. Проблем дискретног логаритма, како је назван, могао би се ефикасно решити на квантном рачунару, али не и на класичном рачунару, што показује да су квантни рачунари моћнији од Тјурингових машина.

Развој из теорије информација

Отприлике у време када је компјутерска наука направила револуцију, као и теорија информација и комуникација, преко Клода Шенона. Шенон је развио две фундаменталне теореме теорије информација: теорему бешумног кодирања канала и теорему кодирања канала са шумом. Такође је показао да се кодови за исправљање грешака могу користити за заштиту информација које се шаљу.

Квантна теорија информација је такође пратила сличну путању, Бен Шумахер је 1995. направио аналогију Шеноновој теореми бешумног кодирања користећи кубит. Такође је развијена теорија исправљања грешака, која омогућава квантним рачунарима да праве ефикасне прорачуне без обзира на буку и да остваре поуздану комуникацију преко бучних квантних канала.

Кубити и теорија информација

Квантне информације се снажно разликују од класичних информација, оличених битовима, на много упечатљивих и непознатих начина. Док је основна јединица класичне информације бит, најосновнија јединица квантне информације је кубит. Класична информација се мери помоћу Шенонове ентропије, док је квантномеханички аналог Фон Нојманова ентропија. Статистички ансамбл квантних механичких система карактерише матрица густине. Многе мере ентропије у класичној теорији информација такође се могу генерализовати на квантни случај, као што су Холево ентропија и условна квантна ентропија.

За разлику од класичних дигиталних стања (која су дискретна), кубит има континуалну вредност и може се описати смером на Блоховој сфери. Упркос томе што се континуирано вреднује на овај начин, кубит је најмања могућа јединица квантне информације, и упркос томе што је стање кубита континуирано вредновано, немогуће је прецизно измерити вредност. Пет познатих теорема описују ограничења манипулације квантним информацијама:

• теорема без телепортације, која каже да се кубит не може (у потпуности) претворити у класичне битове; односно не може се у потпуности „прочитати“,
• теорема без клонирања, која спречава копирање произвољног кубита,
• теорема без брисања, која спречава брисање произвољног кубита,
• теорема о забрани емитовања, која спречава да произвољни кубит буде испоручен више прималаца, иако се може транспортовати са места на место (нпр. путем квантне телепортације),
• Теорема без скривања, која показује очување квантне информације, Ове теореме доказују да су квантне информације у универзуму очуване и отварају јединствене могућности у квантној обради информација.

Квантна обрада информација

Стање кубита садржи све његове информације. Ово стање се често изражава као вектор на Блоховој сфери. Ово стање се може променити применом линеарних трансформација или квантних капија на њих. Ове унитарне трансформације су описане као ротације на Блох сфери. Док класичне капије одговарају познатим операцијама Булове логике, квантне капије су физички унитарни оператори.

Због променљивости квантних система и немогућности копирања стања, складиштење квантних информација је много теже од складиштења класичних информација. Ипак, уз коришћење квантне корекције грешака, квантне информације се у принципу и даље могу поуздано чувати. Постојање квантних кодова за исправљање грешака такође је довело до могућности квантног израчунавања отпорног на грешке.
Класични битови могу бити кодирани у и накнадно преузети из конфигурација кубита, коришћењем квантних капија. Сам по себи, један кубит не може пренети више од једног бита доступних класичних информација о његовој припреми. Ово је Холева теорема. Међутим, у супергустом кодирању, пошиљалац, делујући на један од два заплетена кубита, може пренети примаоцу два бита доступних информација о њиховом заједничком стању.
Квантне информације се могу кретати унаоколо, у квантном каналу, аналогно концепту класичног комуникационог канала. Квантне поруке имају коначну величину, мерену у кубитима; квантни канали имају коначан капацитет канала, мерен у кубитима у секунди.
Квантне информације и промене у квантним информацијама могу се квантитативно измерити коришћењем аналога Шенонове ентропије, који се зове фон Нојманова ентропија.
У неким случајевима квантни алгоритми се могу користити за обављање прорачуна брже него у било ком познатом класичном алгоритму. Најпознатији пример за то је Шоров алгоритам који може факторисати бројеве у полиномском времену, у поређењу са најбољим класичним алгоритмима који узимају подекспоненцијално време. Како је факторизација важан део безбедности РСА енкрипције, Шоров алгоритам је покренуо ново поље пост-квантне криптографије која покушава да пронађе шеме шифровања које остају безбедне чак и када су квантни рачунари у игри. Други примери алгоритама који демонстрирају квантну надмоћ укључују Гроверов алгоритам претраживања, где квантни алгоритам даје квадратно убрзање у односу на најбољи могући класични алгоритам. Класа сложености проблема које ефикасно решава квантни рачунар позната је као БКП.
Квантна дистрибуција кључа (ККД) омогућава безусловно сигуран пренос класичних информација, за разлику од класичне енкрипције, која се увек може разбити у принципу, ако не у пракси. Имајте на уму да се о неким суптилним тачкама у вези са безбедношћу ККД-а још увек жестоко расправља.
Проучавање свих наведених тема и разлика обухвата квантну теорију информација.

Однос према квантној механици

Квантна механика је студија о томе како се микроскопски физички системи динамички мењају у природи. У области квантне теорије информација, квантни системи који се проучавају су апстраховани од било ког партнера у стварном свету. Кубит може, на пример, физички бити фотон у линеарном оптичком квантном рачунару, јон у заробљеном јонском квантном рачунару, или може бити велика колекција атома као у суперпроводном квантном рачунару. Без обзира на физичку имплементацију, ограничења и карактеристике кубита које имплицира квантна теорија информација важе јер су сви ови системи математички описани истим апаратом матрица густине над комплексним бројевима. Још једна битна разлика са квантном механиком је у томе што, док квантна механика често проучава бесконачно-димензионалне системе као што је хармонијски осцилатор, квантна теорија информација се бави и системима са континуалним променљивим и коначно-димензионалним системима.

Квантно рачунање

Квантно рачунарство је врста прорачуна која користи колективна својства квантних стања, као што су суперпозиција, интерференција и запетљаност, за обављање прорачуна. Уређаји који изводе квантна израчунавања познати су као квантни рачунари.: И-5 Иако су тренутни квантни рачунари премали да би надмашили уобичајене (класичне) рачунаре за практичне примене, верује се да су способни да реше одређене рачунарске проблеме, као што је факторизација целог броја (који је у основи РСА енкрипције), знатно бржи од класичних рачунара. Проучавање квантног рачунарства је подобласт квантне информационе науке.

Квантно рачунарство је почело 1980. године када је физичар Пол Бениоф предложио квантно механички модел Тјурингове машине. Ричард Фајнман и Јуриј Манин су касније сугерисали да квантни рачунар има потенцијал да симулира ствари које класични рачунар не може да уради. Године 1994. Петер Шор је развио квантни алгоритам за факторинг целих бројева са потенцијалом за дешифровање РСА шифрованих комуникација. 1998. Исак Чуанг, Нил Гершенфелд и Марк Кубинец створили су први квантни рачунар са два кубита који је могао да обавља прорачуне. Упркос текућем експерименталном напретку од касних 1990-их, већина истраживача верује да је „квантно рачунарство отпорно на грешке [и даље] прилично далеки сан“. Последњих година, улагања у истраживања квантног рачунарства су порасла у јавном и приватном сектору. Дана 23. октобра 2019, Гоогле АИ, у партнерству са Америчком националном администрацијом за ваздухопловство и свемир (НАСА), тврдио је да је извршио квантно израчунавање које је било неизводљиво на било ком класичном рачунару, али да ли је ова тврдња била или још увек важи је тема активно истраживање.

Постоји неколико типова квантних рачунара (такође познатих као квантни рачунарски системи), укључујући модел квантног кола, квантну Тјурингову машину, адијабатски квантни рачунар, једносмерни квантни рачунар и разне квантне ћелијске аутомате. Најраспрострањенији модел је квантно коло, засновано на квантном биту, или „кубиту“, који је донекле аналоган биту у класичном прорачуну. Кубит може бити у квантном стању 1 или 0, или у суперпозицији стања 1 и 0. Међутим, када се мери, увек је 0 или 1; вероватноћа било ког исхода зависи од квантног стања кубита непосредно пре мерења.

Напори ка изградњи физичког квантног рачунара фокусирају се на технологије као што су трансмони, јонске замке и тополошки квантни рачунари, који имају за циљ да створе висококвалитетне кубите.: 2–13 Ови кубити могу бити дизајнирани другачије, у зависности од рачунарског модела пуног квантног рачунара, било да су квантне логичке капије, квантно жарење или адијабатско квантно рачунање. Тренутно постоји низ значајних препрека за конструисање корисних квантних рачунара. Посебно је тешко одржавати квантна стања кубита, јер они пате од квантне декохеренције и верности стања. Квантни рачунари стога захтевају исправљање грешака.

Сваки рачунарски проблем који се може решити класичним рачунаром може се решити и квантним рачунаром. Насупрот томе, сваки проблем који се може решити квантним рачунаром може се решити и класичним рачунаром, барем у принципу ако се има довољно времена. Другим речима, квантни рачунари се придржавају Черч-Тјурингове тезе. То значи да, док квантни рачунари не пружају никакве додатне предности у односу на класичне рачунаре у погледу израчунљивости, квантни алгоритми за одређене проблеме имају знатно мању временску сложеност од одговарајућих познатих класичних алгоритама. Нарочито се верује да су квантни рачунари у стању да брзо реше одређене проблеме које ниједан класични рачунар не би могао да реши у било ком изводљивом временском периоду – подвиг познат као „квантна надмоћ“. Проучавање рачунске сложености проблема у односу на квантне рачунаре је познато као квантна теорија сложености.

Преовлађујући модел квантног израчунавања описује рачунање у смислу мреже квантних логичких капија. Овај модел се може посматрати као апстрактна линеарно-алгебарска генерализација класичног кола. Пошто овај модел кола поштује квантну механику, верује се да је квантни рачунар способан да ефикасно покреће ова кола физички остварив.

Меморија која се састоји од н битова информација има 2^н могућих стања. Тако вектор који представља сва меморијска стања има 2^н уноса (по један за свако стање). Овај вектор се посматра као вектор вероватноће и представља чињеницу да се меморија налази у одређеном стању.

У класичном погледу, један унос би имао вредност 1 (тј. 100% вероватноће да се налази у овом стању), а сви остали уноси би били нула.

У квантној механици, вектори вероватноће се могу генерализовати на операторе густине. Формализам вектора квантног стања обично се прво уводи зато што је концептуално једноставнији и зато што се може користити уместо формализма матрице густине за чиста стања, где је цео квантни систем познат.

квантно рачунање се може описати као мрежа квантних логичких капија и мерења. Међутим, свако мерење се може одложити до краја квантног израчунавања, иако ово одлагање може имати рачунску цену, тако да већина квантних кола приказује мрежу која се састоји само од квантних логичких капија и без мерења.

Свако квантно израчунавање (које је, у горњем формализму, било која унитарна матрица преко н кубита) може се представити као мрежа квантних логичких капија из прилично мале породице капија. Избор породице капија који омогућава ову конструкцију познат је као универзални сет капија, пошто је рачунар који може да покреће таква кола универзални квантни рачунар. Један заједнички такав скуп укључује све једнокубитне капије, као и ЦНОТ капију одозго. То значи да се свако квантно израчунавање може извршити извршавањем низа једнокубитних капија заједно са ЦНОТ капијама. Иако је овај скуп капија бесконачан, може се заменити скупом коначних капија позивањем на теорему Соловаја-Китајева.

Квантни алгоритми

Напредак у проналажењу квантних алгоритама се обично фокусира на овај модел квантног кола, иако постоје изузеци попут квантног адијабатског алгоритма. Квантни алгоритми се могу грубо категорисати према типу убрзања постигнутог у односу на одговарајуће класичне алгоритме.

Квантни алгоритми који нуде више од полиномског убрзања у односу на најпознатији класични алгоритам укључују Шоров алгоритам за факторинг и сродне квантне алгоритме за израчунавање дискретних логаритама, решавање Пелове једначине и уопштено решавање проблема скривене подгрупе за абелове коначне групе. Ови алгоритми зависе од примитивности квантне Фуријеове трансформације. Није пронађен никакав математички доказ који показује да се једнако брз класични алгоритам не може открити, иако се то сматра мало вероватним.[самообјављен извор?] Одређени проблеми пророчанства као што су Симонов проблем и проблем Бернштајн–Вазирани дају доказива убрзања, иако ово није случај. налази се у квантном моделу упита, који је ограничен модел где је доње границе много лакше доказати и не значи нужно убрзање практичних проблема.

Други проблеми, укључујући симулацију квантних физичких процеса из хемије и физике чврстог стања, апроксимацију одређених Џонсових полинома и квантни алгоритам за линеарне системе једначина, имају квантне алгоритме за које се чини да дају супер-полиномска убрзања и да су БКП-потпуни. Пошто су ови проблеми БКП-потпуни, подједнако брз класични алгоритам за њих би имплицирао да ниједан квантни алгоритам не даје супер-полиномско убрзање, за шта се верује да је мало вероватно.

Неки квантни алгоритми, попут Гроверовог алгоритма и амплитуде амплификације, дају полиномска убрзања у односу на одговарајуће класичне алгоритме. Иако ови алгоритми дају упоредиво скромно квадратно убрзање, они су широко применљиви и стога дају убрзања за широк спектар проблема. Многи примери доказивих квантних убрзања за проблеме упита везани су за Гроверов алгоритам, укључујући Брассард, Хøиер и Тапп-ов алгоритам за проналажење колизија у функцијама два према један, који користи Гроверов алгоритам и Фархи, Голдстоне и Гутманов алгоритам за процену НАНД-а. дрвећа, што је варијанта проблема претраге.

Криптографске апликације

Значајна примена квантног израчунавања је за нападе на криптографске системе који су тренутно у употреби. Верује се да је факторизација целог броја, која подупире безбедност криптографских система јавног кључа, рачунски неизводљива са обичним рачунаром за велике целе бројеве ако су они производ неколико простих бројева (нпр. производи два 300-цифрених простих бројева). Поређења ради, квантни рачунар би могао ефикасно да реши овај проблем користећи Шоров алгоритам да пронађе његове факторе. Ова способност би омогућила квантном рачунару да разбије многе криптографске системе који се данас користе, у смислу да би постојао алгоритам полиномског времена (у броју цифара целог броја) за решавање проблема. Конкретно, већина популарних шифара јавног кључа заснована је на тежини факторинга целих бројева или проблему дискретног логаритма, који се оба могу решити Шоровим алгоритмом. Конкретно, алгоритми РСА, Диффие–Хеллман и елиптичне криве Диффие–Хеллман могу бити сломљени. Они се користе за заштиту безбедних веб страница, шифроване е-поште и многих других врста података. Њихово кршење би имало значајне последице по електронску приватност и безбедност.

Идентификовање криптографских система који могу бити сигурни од квантних алгоритама је тема која се активно истражује у области пост-квантне криптографије. Неки алгоритми са јавним кључем су засновани на проблемима који нису проблем факторизације целог броја и проблеми дискретног логаритма на које се примењује Шоров алгоритам, попут Меклисовог криптосистема заснованог на проблему у теорији кодирања. Такође није познато да су криптосистеми засновани на решетки разбијени од стране квантних рачунара, а проналажење алгоритма полиномског времена за решавање проблема скривене подгрупе диедра, који би разбио многе криптосистеме засноване на решетки, је добро проучен отворени проблем. Доказано је да примена Гроверовог алгоритма за разбијање симетричног (тајног кључа) алгоритма грубом силом захтева време једнако отприлике 2н/2 позива основног криптографског алгоритма, у поређењу са отприлике 2н у класичном случају, што значи да су симетричне дужине кључа ефективно преполовљено: АЕС-256 би имао исту сигурност од напада користећи Гроверов алгоритам који АЕС-128 има против класичне бруте-форце претраге (погледајте Величина кључа).

Квантна криптографија би потенцијално могла да испуни неке од функција криптографије јавног кључа. Према томе, криптографски системи засновани на квантима могу бити сигурнији од традиционалних система против квантног хаковања.

Проблеми претраге

Најпознатији пример проблема који дозвољава полиномско квантно убрзање је неструктурирана претрага, проналажење означене ставке са листе од н ставки у бази података. Ово се може решити Гроверовим алгоритмом коришћењем О(скрт(н)) упита бази података, квадратно мање од Омега(н) упита потребних за класичне алгоритме. У овом случају, предност је не само доказива већ и оптимална: показало се да Гроверов алгоритам даје максималну могућу вероватноћу проналажења жељеног елемента за било који број тражења пророчишта.

Проблеми који се могу решити Гроверовим алгоритмом имају следећа својства:

• Не постоји структура која се може претраживати у колекцији могућих одговора,
• Број могућих одговора за проверу је исти као и број улаза у алгоритам, и
• Постоји логичка функција која процењује сваки унос и одређује да ли је то тачан одговор

За проблеме са свим овим својствима, време рада Гроверовог алгоритма на квантном рачунару мери се као квадратни корен броја улаза (или елемената у бази података), за разлику од линеарног скалирања класичних алгоритама. Општа класа проблема на које се Гроверов алгоритам може применити је Булов проблем задовољивости, где је база података кроз коју се алгоритам понавља је база свих могућих одговора. Пример и (могућа) примена овога је крекер лозинке који покушава да погоди лозинку. Симетричне шифре као што су Трипле ДЕС и АЕС су посебно рањиве на ову врсту напада. [потребан цитат] Ова примена квантног рачунарства је главни интерес владиних агенција.

Симулација квантних система

Пошто се хемија и нанотехнологија ослањају на разумевање квантних система, а такве системе је немогуће класично симулирати на ефикасан начин, многи верују да ће квантна симулација бити једна од најважнијих примена квантног рачунарства. Квантна симулација се такође може користити за симулацију понашања атома и честица у необичним условима као што су реакције унутар сударача. Квантне симулације би се могле користити за предвиђање будућих путања честица и протона под суперпозицијом у експерименту са двоструким прорезом.[потребан цитат] Око 2% годишње глобалне производње енергије користи се за фиксацију азота за производњу амонијака за Хаберов процес у пољопривреди. индустрију ђубрива, док природни организми такође производе амонијак. Квантне симулације могу се користити за разумевање овог процеса који повећава производњу.

Квантно жарење и адијабатска оптимизација
Квантно жарење или адијабатско квантно израчунавање се ослања на адијабатску теорему да би се извршили прорачуни. Систем се поставља у основно стање за једноставан Хамилтонијан, који се полако развија у компликованији Хамилтонијан чије основно стање представља решење проблема о коме је реч. Адијабатска теорема каже да ако је еволуција довољно спора, систем ће остати у свом основном стању све време током процеса.

Машинско учење

Пошто квантни рачунари могу произвести резултате које класични рачунари не могу ефикасно произвести, и пошто је квантно рачунање у основи линеарно алгебарско, неки изражавају наду у развој квантних алгоритама који могу убрзати задатке машинског учења. На пример, верује се да квантни алгоритам за линеарне системе једначина, или „ХХЛ алгоритам“, назван по својим откривачима Хароу, Хасидиму и Лојду, обезбеђује убрзање у односу на класичне колеге. Неке истраживачке групе су недавно истраживале употребу хардвера за квантно жарење за обуку Болтзманових машина и дубоких неуронских мрежа.

Рачунарска биологија

У области рачунарске биологије, квантно рачунарство је одиграло велику улогу у решавању многих биолошких проблема. Један од добро познатих примера би био у рачунарској геномици и како је рачунарство драстично смањило време за секвенцирање људског генома. С обзиром на то како рачунарска биологија користи генеричко моделирање и складиштење података, очекује се да ће се појавити и њена примена на рачунарску биологију.

Компјутерски потпомогнут дизајн лекова и генеративна хемија

Дубоки генеративни хемијски модели се појављују као моћни алати за убрзавање откривања лекова. Међутим, огромна величина и сложеност структурног простора свих могућих молекула сличних лековима представљају значајне препреке, које би у будућности могли да превазиђу квантни рачунари. Квантни рачунари су природно добри за решавање сложених квантних проблема са више тела и стога могу бити инструментални у апликацијама које укључују квантну хемију. Стога се може очекивати да ће квантно побољшани генеративни модели укључујући квантне ГАН-ове на крају бити развијени у ултимативне алгоритме генеративне хемије. Хибридне архитектуре које комбинују квантне рачунаре са дубоким класичним мрежама, као што су квантни варијациони аутоенкодери, већ се могу обучити на комерцијално доступним жарионицима и користити за генерисање нових молекуларних структура сличних лековима.

Развијање физичких квантних рачунара
Изазови
Постоји низ техничких изазова у изградњи квантног рачунара великих размера. Физичар Давид ДиВинцензо је навео ове захтеве за практични квантни рачунар:

• Физички скалабилан за повећање броја кубита,
• Кубити који се могу иницијализовати на произвољне вредности,
• Квантне капије које су брже од времена декохеренције,
• Универзални сет капија,
• Кубити који се лако читају.

Добављање делова за квантне рачунаре је такође веома тешко. Многим квантним рачунарима, попут оних које су конструисали Гоогле и ИБМ, потребан је хелијум-3, нуспроизвод нуклеарног истраживања, и специјални суперпроводни каблови које производи само јапанска компанија Цоак Цо.

Контрола мулти-кубит система захтева генерисање и координацију великог броја електричних сигнала са чврстом и детерминистичком временском резолуцијом. Ово је довело до развоја квантних контролера који омогућавају повезивање са кубитима. Скалирање ових система да подрже све већи број кубита је додатни изазов.

Квантна декохеренција

Један од највећих изазова везаних за конструисање квантних рачунара је контрола или уклањање квантне декохеренције. Ово обично значи изоловање система од његовог окружења јер интеракције са спољним светом узрокују декохерацију система. Међутим, постоје и други извори декохеренције. Примери укључују квантне капије, и вибрације решетке и позадински термонуклеарни спин физичког система који се користи за имплементацију кубита. Декохеренција је неповратна, јер је ефективно не-јединствена и обично је нешто што треба строго контролисати, ако не и избегавати. Времена декохеренције за системе кандидате, посебно време попречне релаксације Т2 (за НМР и МРИ технологију, такође названо време дефазирања), обично се крећу између наносекунди и секунди на ниској температури. Тренутно, неки квантни рачунари захтевају да се њихови кубити охладе на 20 миликелвина (обично користећи фрижидер за разблаживање) како би се спречила значајна декохеренција. Студија из 2020. тврди да јонизујуће зрачење као што су космички зраци ипак може изазвати декохерацију одређених система у року од милисекунди.

Као резултат тога, дуготрајни задаци могу учинити неке квантне алгоритме неоперативним, јер ће одржавање стања кубита довољно дуго времена на крају покварити суперпозиције.

Ова питања су тежа за оптичке приступе јер су временски оквири за редове величине краћи и често цитирани приступ за њихово превазилажење је обликовање оптичких импулса. Стопе грешака су обично пропорционалне односу радног времена и времена декохеренције, стога свака операција мора бити завршена много брже од времена декохеренције.

Као што је описано у теореми о квантном прагу, ако је стопа грешке довољно мала, сматра се да је могуће користити квантну корекцију грешке за сузбијање грешака и декохеренције. Ово омогућава да укупно време израчунавања буде дуже од времена декохеренције ако шема корекције грешке може да исправи грешке брже него што их декохеренција уводи. Често цитирана цифра за потребну стопу грешке у свакој капији за израчунавање отпорне на грешке је 10-3, под претпоставком да се шум деполаризује.

Испуњавање овог услова скалабилности могуће је за широк спектар система. Међутим, употреба исправљања грешака са собом носи цену знатно повећаног броја потребних кубита. Број који је потребан за факторисање целих бројева коришћењем Шоровог алгоритма је и даље полином и сматра се да је између Л и Л2, где је Л број цифара у броју који се раставља на факторе; Алгоритми за исправљање грешака би надували ову цифру за додатни фактор Л. За 1000-битни број, ово имплицира потребу за око 104 бита без корекције грешке. Уз корекцију грешке, број би се повећао на око 107 бита. Време рачунања је око Л2 или око 107 корака и на 1 МХз, око 10 секунди.

Веома другачији приступ проблему стабилности-декохеренције је стварање тополошког квантног рачунара са ањонима, квази-честицама које се користе као нити и ослањајући се на теорију плетеница за формирање стабилних логичких капија.

Квантна надмоћ

Квантна супремација је термин који је сковао Џон Прескил који се односи на инжењерски подвиг демонстрирања да програмабилни квантни уређај може да реши проблем који превазилази могућности најсавременијих класичних рачунара. Проблем не мора бити користан, тако да неки гледају на тест квантне надмоћи само као на потенцијално будуће мерило.

У октобру 2019, Гоогле АИ Куантум, уз помоћ НАСА-е, постао је први који је тврдио да је постигао квантну надмоћ изводећи прорачуне на квантном рачунару Сицаморе више од 3,000,000 пута брже него што би могли да се ураде на Самиту, који се генерално сматра најбржим на свету. рачунар. Ова тврдња је касније оспорена: ИБМ је изјавио да Суммит може изводити узорке много брже него што се тврди, а истраживачи су од тада развили боље алгоритме за проблем узорковања који се користи за тражење квантне превласти, дајући значајно смањење или затварање јаза између Сицамореа и Сицамореа и класични суперкомпјутери.

У децембру 2020., група у УСТЦ-у је имплементирала тип узорковања бозона на 76 фотона са фотонским квантним рачунаром Јиузханг како би демонстрирала квантну надмоћ. Аутори тврде да би класичном савременом суперкомпјутеру било потребно рачунарско време од 600 милиона година да генерише број узорака који њихов квантни процесор може да генерише за 20 секунди. ИБМ је 16. новембра 2021. на самиту квантног рачунарства представио микропроцесор од 127 кубита под називом ИБМ Еагле.

Физичке имплементације

За физичку имплементацију квантног рачунара, траже се многи различити кандидати, међу њима (који се разликују по физичком систему који се користи за реализацију кубита):

• Суперпроводно квантно рачунање (кубит имплементиран стањем малих суперпроводних кола, Џозефсонови спојеви)
• Квантни рачунар заробљених јона (кубит имплементиран унутрашњим стањем заробљених јона)
• Неутрални атоми у оптичким решеткама (кубит имплементиран унутрашњим стањима неутралних атома заробљених у оптичкој решетки)
• Рачунар квантних тачака, заснован на спину (нпр. квантни рачунар Лосс-ДиВинцензо) (кубит дат спинским стањима заробљених електрона)
• Компјутер квантних тачака, заснован на простору (кубит дат положајем електрона у двострукој квантној тачки)
• Квантно рачунарство коришћењем пројектованих квантних бунара, што би у принципу могло да омогући изградњу квантних рачунара који раде на собној температури
• Спојена квантна жица (кубит имплементиран паром квантних жица спојених квантним контактом)
• Квантни компјутер нуклеарне магнетне резонанце (НМРКЦ) имплементиран са нуклеарном магнетном резонанцом молекула у раствору, где се кубити обезбеђују нуклеарним спиновима унутар раствореног молекула и испитују радио таласима
• Кане квантни рачунари НМР у чврстом стању (кубит реализован нуклеарним спинским стањем донатора фосфора у силицијуму)
• Квантни компјутери електрони на хелијуму (кубит је спин електрона)
• Квантна електродинамика шупљине (ЦКЕД) (кубит обезбеђен унутрашњим стањем заробљених атома повезаних са шупљинама високе финоће)
• Молекуларни магнет (кубит дат спинским стањима)
• ЕСР квантни рачунар заснован на фулерену (кубит заснован на електронском спину атома или молекула уклопљених у фулерене)
• Нелинеарни оптички квантни рачунар (кубити остварени обрадом стања различитих модова светлости кроз линеарне и нелинеарне елементе)
• Линеарни оптички квантни рачунар (кубити остварени обрадом стања различитих модова светлости кроз линеарне елементе нпр. огледала, разделници снопа и фазни померачи)
• Квантни компјутер базиран на дијаманту (кубит реализован електронским или нуклеарним спином центара слободних азота у дијаманту)
• Квантни рачунар заснован на Босе-Ајнштајновом кондензату
• Квантни рачунар заснован на транзистору – квантни рачунари са низом са увлачењем позитивних рупа помоћу електростатичке замке
• Квантни компјутери засновани на неорганским кристалима допираним јонима ретких метала (кубит реализован унутрашњим електронским стањем додатака у оптичким влакнима)
• Квантни рачунари засновани на металним угљеничним наносферама
• Велики број кандидата показује да је квантно рачунарство, упркос брзом напретку, још увек у повоју.

Постоји велики број модела квантног рачунарства, који се разликују по основним елементима у којима се рачунање декомпонује. За практичну имплементацију, четири релевантна модела прорачуна су:

• Низ квантних капија (прорачун декомпонован у низ квантних капија од неколико кубита)
• Једносмерни квантни рачунар (рачунање декомпоновано у низ мерења од једног кубита примењених на веома запетљано почетно стање или стање кластера)
• Адијабатски квантни рачунар, заснован на квантном жарењу (рачунање разложено у спору континуирану трансформацију почетног Хамилтонијана у коначни Хамилтонијан, чија основна стања садрже решење)
• Тополошки квантни рачунар (рачунање разложено на плетење билоона у 2Д решетки)

Квантна Тјурингова машина је теоретски важна, али физичка имплементација овог модела није изводљива. Показало се да су сва четири модела прорачуна еквивалентна; сваки може да симулира другу са не више од полинома.