Контрфактические квантовые вычисления
Контрфактические квантовые вычисления — это метод вывода результата вычисления без фактического запуска квантового компьютера, который в противном случае был бы способен активно выполнять эти вычисления.
Концептуальное происхождение
[ редактировать ]Физики Грэм Митчисон и Ричард Джожа представили понятие контрфактических вычислений. [1] как применение квантовых вычислений, основанное на концепциях контрфактической определенности , на новой интерпретации мысленного эксперимента Элицура-Вайдмана с тестером бомбы и теоретическом использовании феномена измерения без взаимодействия .
Посмотрев доклад Джожи о контрфактических вычислениях в Институте Исаака Ньютона , Кейт Боуден из исследовательского отдела теоретической физики Биркбек-колледжа Лондонского университета опубликовал статью [2] в 1997 году описывал цифровой компьютер, который можно было подвергнуть контрфактическому опросу, чтобы вычислить, не сможет ли световой луч пройти через лабиринт. [3] как пример этой идеи.
Совсем недавно была предложена и продемонстрирована идея контрфактической квантовой коммуникации. [4]
Краткое описание метода
[ редактировать ]Квантовый компьютер может быть физически реализован произвольными способами. [5] но на сегодняшний день в качестве обычного рассматриваемого устройства используется интерферометр Маха – Цендера . Квантовый компьютер устанавливается в суперпозицию состояний «не работает» и «работает» с помощью таких средств, как квантовый эффект Зенона . Истории этих государств являются квантово-интерференционными . После многих повторений очень быстрых проективных измерений состояние «не работает» переходит к окончательному значению, запечатленному в свойствах квантового компьютера. Измерение этого значения позволяет узнать результат некоторых типов вычислений. [6] такой как алгоритм Гровера, хотя результат был получен из неработающего состояния квантового компьютера.
Определение
[ редактировать ]Оригинальная формулировка [1] в контрфактических квантовых вычислениях заявил, что набор m связана только одна история результатов измерений является контрфактическим результатом, если с m , и эта история содержит только «выключенные» (неработающие) состояния, и существует только один возможный вычислительный результат, связанный с до м .
Утонченное определение [7] контрфактических вычислений, выраженных в процедурах и условиях, заключается в следующем: (i) идентифицировать и маркировать все истории (квантовые пути) с необходимым количеством меток, которые приводят к одному и тому же набору m результатов измерений, и (ii) последовательно накладывать друг на друга все возможные истории . (iii) После отмены термов (если таковые имеются), комплексные амплитуды которых вместе составляют ноль, множество m результатов измерений является контрфактическим результатом, если (iv) в их исторических метках не осталось термов с меткой, работающей на компьютере, и (v) существует только один возможный выход компьютера, связанный с m .
Зеркальный массив
[ редактировать ]В 1997 году, после обсуждений с Эбнером Шимони и Ричардом Джозой и вдохновленный идеей испытателя бомбы Элицур-Вайдман (1993 год), Кейт Боуден (Биркбек-колледж) опубликовал статью. [2] описание цифрового компьютера, который можно было бы подвергнуть контрфактическому опросу, чтобы вычислить, не сможет ли фотон пройти через лабиринт зеркал. [3] Эта так называемая зеркальная решетка заменяет предварительную бомбу в устройстве Элицура и Вайдмана (фактически интерферометр Маха – Цендера). Один раз из четырех фотон покидает устройство таким образом, что указывает на то, что лабиринт не доступен для навигации, даже если фотон никогда не проходил через решетку зеркал. Сам зеркальный массив настроен таким образом, что он определяется размера n на n битовой матрицей . Выходной сигнал (сбой или нет) сам по себе определяется одним битом. Таким образом, зеркальный массив сам по себе представляет собой цифровой компьютер с n- квадратным входом и 1 битом на выходе, который рассчитывает лабиринты и может запускаться контрфактически. Хотя в целом устройство явно представляет собой квантовый компьютер, часть, которая тестируется контрафактно, является полуклассической.
Экспериментальная демонстрация
[ редактировать ]В 2015 году контрфактические квантовые вычисления были продемонстрированы в экспериментальном контексте «спинов отрицательно заряженного центра окраски с азотной вакансией в алмазе». [8] Ранее предполагаемые пределы эффективности были превышены, в результате чего была достигнута контрфактическая вычислительная эффективность 85% при более высокой эффективности, предусмотренной в принципе. [9]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Митчисон, Грэм; Джожа, Ричард (8 мая 2001 г.). «Контрфактические вычисления». Труды Лондонского королевского общества А. 457 (2009): 1175–1193. arXiv : Quant-ph/9907007 . Бибкод : 2001RSPSA.457.1175M . CiteSeerX 10.1.1.251.9270 . дои : 10.1098/rspa.2000.0714 . S2CID 16208575 .
- ^ Jump up to: а б Боуден, Кейт Дж., «Классические вычисления могут быть контрфактическими», в аспектах I, Proc ANPA19, Кембридж, 1997 г. (опубликовано в мае 1999 г.), ISBN 0-9526215-3-3
- ^ Jump up to: а б Боуден, Кейт (15 марта 1997 г.). «Может ли кот Шрёдингера коллапсировать волновую функцию?» . Архивировано из оригинала 16 октября 2007 г. Проверено 8 декабря 2007 г. (Оригинальная версия «Классические вычисления могут быть контрфактическими»)
- ^ Лю Ю и др. (2012) «Экспериментальная демонстрация контрфактической квантовой связи». Физика Преподобный Летт 109:030501
- ^ Хостен, Онур; Рахер, Мэтью Т.; Баррейро, Хулио Т.; Питерс, Николас А.; Квиат, Пол Г. (14 декабря 2005 г.). «Контрфактические квантовые вычисления посредством квантового допроса». Природа . 439 (7079): 949–952. Бибкод : 2006Natur.439..949H . дои : 10.1038/nature04523 . ПМИД 16495993 . S2CID 3042464 .
- ^ Митчисон, Грэм; Джожа, Ричард (1 февраля 2008 г.). «Пределы контрфактических вычислений». arXiv : Quant-ph/0606092 .
- ^ Хостен, Хонор; Рахер, Мэтью Т.; Баррейро, Хулио Т.; Питерс, Николас А.; Квиат, Пол (26 июня 2006 г.). «Возвращение к контрфактическим вычислениям». arXiv : Quant-ph/0607101 .
- ^ Конг, Фэй; Джу, Ченьён; Хуан, Пу; Ван, Пэнфэй; Конг, Си; Ши, Фажан; Цзян, Лян; Ду, Цзянфэн (21 августа 2015 г.). «Экспериментальная реализация высокоэффективных контрфактических вычислений» . Письма о физических отзывах . 115 (8): 080501. Бибкод : 2015PhRvL.115h0501K . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.080501 . ПМИД 26340170 .
- ^ Зыга, Лиза. «Квантовый компьютер, который «вычисляет без бега», устанавливает рекорд эффективности» . Физика.орг . Омикрон Технолоджи Лимитед . Проверено 6 сентября 2015 г.
