Физические и логические кубиты
 | Данная статья может содержать чрезмерное количество цитат . Подробности: Нет необходимости в нескольких цитатах на одно утверждение. ( Ноябрь 2018 г. ) |
В квантовых вычислениях кубит — это единица информации, аналогичная биту (двоичной цифре) в классических вычислениях , но на него влияют квантово-механические свойства, такие как суперпозиция и запутанность , которые позволяют кубитам быть в некотором смысле более мощными, чем классические биты. некоторые задачи . Кубиты используются в квантовых схемах и квантовых алгоритмах, состоящих из квантовых логических элементов, для решения вычислительных задач , где они используются для ввода/вывода и промежуточных вычислений.
Физический кубит — это физическое устройство, которое ведет себя как квантовая система с двумя состояниями и используется как компонент компьютерной системы . [1] [2] Логический кубит — это физический или абстрактный кубит, который работает так, как указано в квантовом алгоритме или квантовой схеме. [3] подверженный унитарным преобразованиям , имеет достаточно долгое время когерентности , чтобы его можно было использовать квантовыми логическими элементами (см. Задержку распространения для классических логических элементов). [1] [4] [5]
По состоянию на сентябрь 2018 г. [update], большинство технологий, используемых для реализации кубитов, сталкиваются с проблемами стабильности, декогеренции , [6] [7] отказоустойчивость [8] [9] и масштабируемость . [6] [9] [10] Из-за этого для исправления ошибок необходимо множество физических кубитов , чтобы создать объект, который ведет себя логически так же, как один кубит в квантовой схеме или алгоритме; это предмет квантовой коррекции ошибок . [3] [11] Таким образом, современные логические кубиты обычно состоят из множества физических кубитов, что обеспечивает стабильность, коррекцию ошибок и отказоустойчивость, необходимые для выполнения полезных вычислений. [1] [7] [11]
Обзор [ править ]
1-битные и 2-битные операции с квантовыми вентилями универсальны. Было показано, что [12] [13] [14] [15] Квантовый алгоритм можно реализовать как квантовую схему . [16] [17]
Логический кубит определяет , как одиночный кубит должен вести себя в квантовом алгоритме с учетом квантовых логических операций, которые могут быть построены из квантовых логических элементов. Однако проблемы в современных технологиях не позволяют одиночным квантовым системам с двумя состояниями , которые можно использовать в качестве физических кубитов, надежно кодировать и сохранять эту информацию достаточно долго, чтобы быть полезной. Поэтому текущие попытки создать масштабируемые квантовые компьютеры требуют квантовой коррекции ошибок, и для создания одного, устойчивого к ошибкам логического кубита необходимо использовать несколько (в настоящее время много) физических кубитов. В зависимости от используемой схемы исправления ошибок и частоты ошибок каждого физического кубита, один логический кубит может быть сформирован из до 1000 физических кубитов. [18]
квантовые Топологические вычисления
Подход топологических кубитов , который использует преимущества топологических эффектов в квантовой механике , был предложен как требующий гораздо меньшего количества или даже одного физического кубита на логический кубит. [10] Топологические кубиты основаны на классе частиц, называемых анионами , которые имеют спин , который не является ни полуцелым ( фермионы ), ни целым ( бозоны ), и поэтому не подчиняются ни статистике Ферми-Дирака , ни статистике Бозе-Эйнштейна поведения частиц. [19] Анионы проявляют симметрию кос на своих мировых линиях , что имеет желательные свойства для стабильности кубитов. Примечательно, что анионы должны существовать в системах, ограниченных двумя или меньшим количеством пространственных измерений, согласно теореме спин-статистики , которая утверждает, что в 3 или более пространственных измерениях возможны только фермионы и бозоны. [19]
См. также [ править ]
- Квантовая коррекция ошибок и квантовая пороговая теорема
- Квантовые вычисления § Препятствия
- Сверхпроводящие квантовые вычисления
- Квантовые вычисления с захваченными ионами
- Квантовые вычисления на основе полупроводников
- Топологические квантовые вычисления
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Шоу, Билал; Уайльд, Марк М.; Орешков, Огнян; Кремский, Исаак; Лидар, Дэниел А. (18 июля 2008 г.). «Кодирование одного логического кубита в шесть физических кубитов». Физический обзор А. 78 (1): 012337. arXiv : 0803.1495 . Бибкод : 2008PhRvA..78a2337S . дои : 10.1103/PhysRevA.78.012337 . ISSN 1050-2947 . S2CID 40040752 .
- ^ Виола, Лоренца ; Нилл, Эмануэль; Лафламм, Раймонд (7 сентября 2001 г.). «Построение кубитов в физических системах». Журнал физики A: Математический и общий . 34 (35): 7067–7079. arXiv : Quant-ph/0101090 . Бибкод : 2001JPhA...34.7067V . дои : 10.1088/0305-4470/34/35/331 . ISSN 0305-4470 . S2CID 14713492 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Херес, Рейнир В.; Рейнхольд, Филип; Офек, Ниссим; Фрунцио, Луиджи; Цзян, Лян; Деворе, Мишель Х.; Шелькопф, Роберт Дж. (8 августа 2016 г.). «Реализация универсального набора вентилей на логическом кубите, закодированном в генераторе» . Природные коммуникации . 8 (1): 94. arXiv : 1608.02430 . дои : 10.1038/s41467-017-00045-1 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 5522494 . ПМИД 28733580 .
- ^ «Логические кубиты (LogiQ)» . Деятельность в области перспективных исследовательских проектов в области разведки . Проверено 18 сентября 2018 г.
- ^ «Логические кубиты (LogiQ)» . www.iarpa.gov . Проверено 4 октября 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ристе, Д.; Полетто, С.; Хуанг, М.-З.; Бруно, А.; Вестеринен, В.; Сайра, О.-П.; ДиКарло, Л. (20 октября 2014 г.). «Обнаружение ошибок переворота битов в логическом кубите с помощью измерений стабилизатора» . Природные коммуникации . 6 (1): 6983. arXiv : 1411.5542 . дои : 10.1038/ncomms7983 . ISSN 2041-1723 . ПМК 4421804 . ПМИД 25923318 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Капит, Элиот (12 апреля 2016 г.). «Очень маленький логический кубит». Письма о физических отзывах . 116 (15): 150501. arXiv : 1510.06117 . doi : 10.1103/PhysRevLett.116.150501 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 27127945 . S2CID 118476207 .
- ^ Нигг, Дэниел; Мюллер, Маркус; Мартинес, Эстебан А.; Шиндлер, Филипп; Генрих, Маркус; Монц, Томас; Мартин-Дельгадо, Мигель А.; Блатт, Райнер (18 июля 2014 г.). «Экспериментальные квантовые вычисления на топологически закодированном кубите». Наука . 345 (6194): 302–305. arXiv : 1403.5426 . Бибкод : 2014Sci...345..302N . дои : 10.1126/science.1253742 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 24925911 . S2CID 9677048 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Достижение масштабируемости в квантовых вычислениях» . Облачные блоги Microsoft . Майкрософт. 16 мая 2018 г. Проверено 18 сентября 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Мишмаш, Райан; Алиса, Джейсон (16 августа 2017 г.). «Топологические кубиты: появление в 2018 году?» . Квантовые границы . Проверено 17 сентября 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Джонс, Коди; Фогарти, Майкл А.; Морелло, Андреа; Дюре, Марк Ф.; Дзурак, Эндрю С.; Лэдд, Таддеус Д. (01 июня 2018 г.). «Логический кубит в линейном массиве полупроводниковых квантовых точек». Физический обзор X . 8 (2): 021058.arXiv : 1608.06335 . Бибкод : 2018PhRvX...8b1058J . дои : 10.1103/PhysRevX.8.021058 . ISSN 2160-3308 . S2CID 119108989 .
- ^ ДиВинченцо, Дэвид П. (1 февраля 1995 г.). «Двухбитные вентили универсальны для квантовых вычислений». Физический обзор А. 51 (2): 1015–1022. arXiv : cond-mat/9407022 . Бибкод : 1995PhRvA..51.1015D . дои : 10.1103/PhysRevA.51.1015 . ПМИД 9911679 . S2CID 2317415 .
- ^ Дойч, Дэвид; Баренко, Адриано; Экерт, Артур (8 июня 1995 г.). «Универсальность в квантовых вычислениях». Труды Лондонского королевского общества А: Математические и физические науки . 449 (1937): 669–677. arXiv : Quant-ph/9505018 . Бибкод : 1995RSPSA.449..669D . CiteSeerX 10.1.1.54.2646 . дои : 10.1098/rspa.1995.0065 . ISSN 1471-2946 . S2CID 15088854 .
- ^ Баренко, Адриано (8 июня 1995 г.). «Универсальный двухбитный вентиль для квантовых вычислений». Труды Лондонского королевского общества А: Математические и физические науки . 449 (1937): 679–683. arXiv : Quant-ph/9505016 . Бибкод : 1995RSPSA.449..679B . дои : 10.1098/rspa.1995.0066 . ISSN 1471-2946 . S2CID 119447556 .
- ^ Ллойд, Сет (10 июля 1995 г.). «Почти любой квантовый логический вентиль универсален». Письма о физических отзывах . 75 (2): 346–349. Бибкод : 1995PhRvL..75..346L . дои : 10.1103/PhysRevLett.75.346 . ПМИД 10059671 .
- ^ Яздани, Марьям; Замани, Мортеза Сахеб; Седиги, Мехди (9 июня 2013 г.). «Квантово-физический процесс проектирования с использованием ILP и рисования графиков». Журнал квантовой обработки информации . 12 (10): 3239. arXiv : 1306.2037 . Бибкод : 2013QuIP...12.3239Y . дои : 10.1007/s11128-013-0597-6 . S2CID 12195937 .
- ^ Уитни, Марк; Исайлович, Неманья; Патель, Ятиш; Кубятович, Джон (2 апреля 2007 г.). «Автоматическое создание схемы и управление квантовыми схемами» . Передовые рубежи вычислений ACM . arXiv : 0704.0268 .
- ^ Фаулер, Остин Г.; Мариантони, Маттео; Мартинис, Джон М.; Клеланд, Эндрю Н. (2012). «Поверхностные коды: на пути к практическим крупномасштабным квантовым вычислениям». Физический обзор А. 86 (3): 032324. arXiv : 1208.0928 . Бибкод : 2012PhRvA..86c2324F . дои : 10.1103/PhysRevA.86.032324 . ISSN 1050-2947 . S2CID 119277773 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Вильчек, Франк (27 февраля 2018 г.). «Как частицы «анионы» возникают из квантовых узлов | Журнал Quanta» . Журнал Кванта . Проверено 18 сентября 2018 г.
