Квантовые вычисления

Обзор

Квантовый компьютер представляет информацию в кубитах, состояние которых может содержать последовательные комбинации базисных значений. Квантовые вентили преобразуют совместные состояния так, что амплитуды вероятности интерферируют до того, как измерение даст классические результаты.

Технические основы

Квантовые вычисления представляют собой регистр n-кубитов в комплексном векторном пространстве размерности два в степени n, но алгоритмы получают доступ к этому состоянию только посредством разрешенных операций и измерений. Унитарные вентили создают интерференционные картины, а запутанные вентили генерируют корреляции, недоступные независимым кубитам. Сложность схемы учитывает количество вентилей, глубину и связность, а практическая оценка ресурсов также включает подготовку и считывание состояния. Квантовые ускорения возникают из-за структуры задачи, такой как оценка фазы, усиление амплитуды и определение периода, а не из-за оценки каждого классического ответа и считывания их всех одновременно.

Как это работает

Алгоритмы предназначены для усиления полезных результатов или оценки свойств, к которым трудно получить классический доступ. Физические реализации включают сверхпроводящие цепи, захваченные ионы, нейтральные атомы, фотоны и спины. Исправление ошибок кодирует логическую информацию во множестве несовершенных физических кубитов.

Методы измерения и исследования

Аппаратное обеспечение характеризуется временем релаксации и дефазировки, точностью затвора и измерения, перекрестными помехами и утечками за пределы вычислительного подпространства. Рандомизированный сравнительный анализ оценивает среднюю ошибку, тогда как томография и циклический сравнительный анализ обеспечивают более полную, но более дорогую диагностику. Полезные сравнения включают общее время выполнения, вероятность успеха и классическую предварительную обработку, а не только количество кубитов. Уменьшение ошибок экстраполирует или подавляет шум без полной отказоустойчивости, тогда как квантовая коррекция ошибок многократно измеряет синдромы для обнаружения ошибок, сохраняя при этом логическую информацию. Пороги поверхностного кода по-прежнему требуют больших затрат физических кубитов и быстрого классического декодирования.

Основные идеи

• Кубит при измерении не раскрывает все амплитуды; измерения возвращают ограниченные классические данные.
• Квантовое преимущество связано с конкретной проблемой, а не с универсальным ускорением.
• Полезные отказоустойчивые машины требуют частоты ошибок ниже требуемых порогов и значительных накладных расходов.

Текущий рубеж исследований

Ближайшие исследования проверят, дают ли аналоговые симуляторы или специализированные схемы научно полезные результаты, выходящие за рамки классических методов. Отказоустойчивые схемы оптимизируют создание магических состояний, синтез логических элементов и возможности подключения с учетом особенностей архитектуры. Квантовые сети представляют собой распределенную запутанность и модульные процессоры, а слепые и проверяемые вычисления адресуют доверие. Заявления о преимуществе требуют прозрачных тестов по сравнению с сильными классическими алгоритмами, выполняющими сопоставимые задачи. Открытые проблемы включают коррелированный шум, масштабируемое криогенное или оптическое управление, технологичность и оценку ресурсов для химии, оптимизации и криптоанализа, которые включают затраты на точность, загрузку данных и исправление ошибок.

Почему это важно

К числу перспективных приложений относятся моделирование квантовых систем, избранные задачи оптимизации и алгебраические задачи, а также новые криптографические возможности. Эта область также способствует развитию технологий контроля, криогеники и точных измерений.

Ограничения и открытые вопросы

Современные процессоры шумны и ограничены в размерах. Превосходит ли предлагаемое приложение лучший классический метод по эффективности, необходимо установить путем тщательной оценки ресурсов и объективных тестов.