Квантовый компьютер. Квантовый компьютер википедия

Квантовый компьютер Википедия

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. В результате можно обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая гигантского превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов[1].

Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На середину 2010-х были практически реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности.

Первым практическим высокоуровневым языком программирования для такого вида компьютеров считается язык Quipper[en], основанный на Haskell[2] (см. Квантовое программирование).

Введение[ | код]

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году[3].

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена[4]Ричардом Фейнманом в 1981 году. Вскоре Пол Бениофф описал теоретические основы построения такого компьютера[5].

Также концепцию квантового компьютера в 1983 году предлагал Стивен Визнер в статье, которую он пытался опубликовать в течение более десяти лет до этого[6][7].

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа n{\displaystyle n} составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для n=10{\displaystyle n=10}. Поэтому Визнер и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующие квантовомеханические эффекты, — такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний |0⟩,|1⟩,…,|N−1⟩{\displaystyle |0\rangle ,|1\rangle ,\ldots ,|N-1\rangle }

ru-wiki.ru

Квантовый компьютер | Virtual Laboratory Wiki

Файл:Qregister.jpg

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, существенно использующее при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовая запутанность и квантовый параллелизм путём выполнения квантовых алгоритмов. Это позволяет преодолеть некоторые ограничения классических компьютеров. Квантовые компьютеры работают на основе квантовой логики.

Кубиты Править

Идея квантовых вычислений, впервые высказанная Ю. И. Маниным и Р. Фейнманом состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (кубитов) имеет 2L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, 2L-мерное гильбертово пространство состояний. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2L операций.

Предположим, что имеется один кубит. В таком случае после измерения, в так называемой классической форме, результат будет 0 или 1. В действительности кубит — квантовый объект и поэтому, вследствие принципа неопределенности, может быть и 0, и 1 с определенной вероятностью. Если кубит равен 0 (или 1) со стопроцентной вероятностью, его состояние обозначается с помощью символа |0> (или |1>) — в обозначениях Дирака. |0> и |1> — это базовые состояния. В общем случае квантовое состояние кубита находится между базовыми и записывается, в виде $ a\,|0\rangle+b\,|1\rangle $, где |a|² и |b|² — вероятности измерить 0 или 1 соответственно; $ a,b \in \mathbb{C} $. Более того, сразу после измерения кубит переходит в базовое квантовое состояние, аналогичное классическому результату.

Пример:

0	составляет	(4/5)²=16/25	= 64 %,
1		(-3/5)²=9/25	= 36 %.

Перейдём к системе из двух кубитов. Измерение каждого из них может дать 0 или 1. Поэтому у системы 4 классических состояния: 00, 01, 10 и 11. Аналогичные им базовые квантовые состояния: |00>, |01>, |10> и |11>. И наконец, общее квантовое состояние системы имеет вид $ a\,|00\rangle + b\,|01\rangle + c\,|10\rangle + d\,|11\rangle $. Теперь |a|² — вероятность измерить 00 и т. д. Отметим, что |a|²+|b|²+|c|²+|d|²=1 как полная вероятность.

В общем случае, системы из L кубитов у неё 2L классических состояний (00000…(L-нулей), …00001(L-цифр), … , 11111…(L-единиц)), каждое из которых может быть измерено с вероятностями 0—100 %.

Таким образом, одна операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые она может принимать, в отличие от классического бита. Это и обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений.

Вычисление Править

Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берётся система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера.

Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счёт небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

С помощью базовых квантовых операций можно симулировать работу обычных логических элементов, из которых сделаны обычные компьютеры. Поэтому любую задачу, которая решена сейчас, квантовый компьютер решит, и почти за такое же время. Следовательно, новая схема вычислений будет не слабее нынешней.

Чем же квантовый компьютер лучше классического? Большая часть современных ЭВМ работают по такой же схеме: n бит памяти хранят состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющимся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Теоретически новая схема может работать намного (в экспоненциальное число раз) быстрее классической. Практически (квантовый) алгоритм Гровера поиска в базе данных показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов. Пока в природе их не существует.

Алгоритмы Править

Алгоритм Гровера позволяет найти решение уравнения $ f(x)=1,\; 0\le x < N $ за время $ O(\sqrt{N/M}) $.
Алгоритм Шора позволяет разложить натуральное число n на простые множители за полиномиальное от log(n) время.
Алгоритм Дойча — Джоза позволяет «за одно вычисление» определить, является ли функция двоичной переменной f(n) постоянной (f1(n) = 0, f2(n) = 1 независимо от n) или «сбалансированной» (f3(0) = 0, f3(1) = 1; f4(0) = 1, f4(1) = 0).

Было показано, что не для всякого алгоритма возможно «квантовое ускорение».

Квантовая телепортация Править

Алгоритм телепортации реализует точный перенос состояния одного кубита (или системы) на другой. В простейшей схеме используются 4 кубита: источник, приемник и два вспомогательных. Отметим, что в результате работы алгоритма первоначальное состояние источника разрушится — это пример действия общего принципа невозможности клонирования — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. На самом деле, довольно легко создать одинаковые состояния на кубитах. К примеру, измерив 3 кубита, мы переведём каждый из них в базовые состояния (0 или 1) и хотя бы на двух из них они совпадут. Не получится скопировать произвольное состояние, и телепортация — замена этой операции.

Телепортация позволяет передавать квантовое состояние системы с помощью обычных классических каналов связи. Таким образом, можно, в частности, получить связанное состояние системы, состоящей из подсистем, удалённых на большое расстояние.

Применение квантовых компьютеров Править

Специфика применения Править

Может показаться, что квантовый компьютер — это разновидность аналоговой вычислительной машины. Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой.

Основные проблемы, связанные с созданием и применением квантовых компьютеров:

необходимо обеспечить высокую точность измерений;
внешние воздействия могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения.

Приложения к криптографии Править

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители, квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надёжным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен. Для того, например, чтобы получить доступ к кредитной карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Даже для самых быстрых современных компьютеров выполнение этой задачи заняло больше бы времени, чем возраст Вселенной, в сотни раз. При помощи алгоритма Шора эта задача делается вполне осуществимой, если квантовый компьютер будет построен.

Применение идей квантовой механики уже открыли новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений[1]. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки[2].

Физические модели, с помощью которых пытаются построить квантовый компьютер:

Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Однако информация об этом устройстве не отвечала строгим требованиям точного научного сообщения; новость не получила широкого признания. Более того дальнейшие планы компании (создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер) вызвали скепсис у членов экспертного сообщества[3].

В ноябре 2007 года компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции посвященной суперкомпьютерам[4]. Есть мнение, что обнародование заведомо неправдоподобной информации о создании КК была намеренаой провокацией, призванной дискредитировать идею КК. Дело в том, что распространение персональных КК сделает невозможными финансовые махинации[источник?]</sup>, так как любое действие пользователя становится тут же известным на всех связанных КК. (а вот воровство невозможно -- по той же причине[источник?]</sup>) Таким образом, крупные финансовые организации, для которых обнародование их действий невыгодно, всячески сдерживают создание квантовых компьютеров, в том числе и посредством масс-медиа[источник?]</sup>.

В одном из университетов Австралии уже построили троичный квантовый процессор, который содержит около 50 троичных квантовых ячеек (квантовых троичных триггеров). Один разряд в этом троичном квантовом процессоре называется q-трит (кутрит).

Elizalde, E. Quantum Deletition Is Possible Via Partial Randomization Procedure // Vestnik Of The Tomsk State Pedagogical University. — 2004. — № 7 (44). — Special Issue. — Vol.: Natural And Exact Science. — P. 11—14.
Куликов, С. Б. Логико-философские основания операционализации квантовых вычислений // XI Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование» (16-20 апреля 2007 г.): Мат-лы конф.: в 6 т. Т. 3. Ч.2. — Томск, 2007. — С. 67—72.

Квантовый ликбез
Квантовый компьютер и его полупроводниковая элементарная база
Кафедра квантовой информатики факультета ВМК МГУ
Лаборатория физики квантовых компьютеров Физикотехнологического института РАН
Китаев,А., Шень, А., Вялый, М. Классические и квантовые вычисления
QWiki(англ.) и Quantiki(англ.) — Wiki-ресурсы по квантовой информатике
Язык программирования QCL для квантовых компьютеров(англ.)
Курс «Современные задачи теоретической информатики» (лекции по квантовым вычислениям: введение, суперплотное кодирование, квантовая телепортация, алгоритмы Саймона и Шора)
Gilles Brassard, Isaac Chuang, Seth Lloyd and Christopher Monroe. Quantum computing
Beyond Bits: The Future of Quantum Information Processing Andrew M. Steane, Eleanor G. Rieffel

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Квантовый компьютер. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

ru.vlab.wikia.com

Квантовий комп'ютер — Вікіпедія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Квáнтовий комп'ю́тер — фізичний обчислювальний пристрій, функціонування якого ґрунтується на принципах квантової механіки, зокрема, принципі суперпозиції та явищі квантової заплутаності. Такий пристрій відрізняється від звичайного транзисторного комп'ютера зокрема тим, що класичний комп'ютер оперує даними, закодованими у двійкових розрядах (бітах), кожен з яких завжди перебуває в одному з двох станів (0 або 1), коли квантовий комп'ютер використовує квантові біти (кубіти), які можуть знаходитися у суперпозиції станів. Інформатико-теоретичною моделлю такого обчислювального пристрою є квантова машина Тюрінга, або універсальний квантовий комп'ютер, яка була розроблена Девідом Дойчем у 1985 році[1]. Квантовий комп'ютер має низку спільних ознак із недетермінованим та ймовірнісним комп'ютерами, але ці пристрої не є тотожними. Вважається, що вперше ідею використання принципів квантової механіки для виконання обчислень висловили Юрій Манін у книзі «Обчислювальне і необчислювальне» у 1980 році[2] та Річард Фейнман у лекції на Першій конференції з фізики обчислень у МТІ в 1981 році[3][4], хоча пропозиції використання напівцілих спінів як найпростіших обчислювальних елементів лунали і раніше[5].

Теоретично квантовий комп'ютер

uk.wikipedia.org

Квантовый компьютер - Вики

Идея о квантовых вычислениях была высказана Юрием Маниным в 1980 году[3].

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний |0⟩,|1⟩,…,|N−1⟩{\displaystyle |0\rangle ,|1\rangle ,\ldots ,|N-1\rangle } (обозначения Дирака), то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоя

ru.wikiredia.com