В критерии DiVincenzo условия , необходимые для построения квантового компьютера , условия , предложенные в 2000 году физик - теоретик Дэвид П. DiVincenzo , [1] как те , которые необходимы для построения такой компьютер-компьютер первый предложенный математиком Юрием Манин , в 1980 году, [2] и физика Ричарда Фейнмана в 1982 г. [3] - как средство для эффективного моделирования квантовых систем, например, при решении квантовой задачи многих тел .
Было много предложений о том, как построить квантовый компьютер, и все они с разной степенью успеха сталкиваются с различными проблемами создания квантовых устройств. Некоторые из этих предложений включают использование сверхпроводящих кубитов , захваченных ионов , жидкого и твердотельного ядерного магнитного резонанса или состояний оптических кластеров , все из которых имеют хорошие перспективы, но также имеют проблемы, препятствующие их практической реализации.
Критерии Ди Винченцо состоят из семи условий, которым должна удовлетворять экспериментальная установка для успешной реализации квантовых алгоритмов, таких как алгоритм поиска Гровера или факторизация Шора . Первые пять условий касаются самих квантовых вычислений. Два дополнительных условия относятся к реализации квантовой связи , например, используемой в квантовом распределении ключей . Можно показать, что критериям Ди Винченцо удовлетворяет классический компьютер. Сравнение способности классического и квантового режимов удовлетворять критериям подчеркивает как сложности, возникающие при работе с квантовыми системами, так и источник квантовой скорости .
Формулировка критериев
Согласно критериям Ди Винченцо, для создания квантового компьютера требуется, чтобы экспериментальная установка удовлетворяла семи условиям. Первые пять необходимы для квантовых вычислений:
- Масштабируемая физическая система с хорошо охарактеризованным кубитом
- Возможность инициализировать состояние кубитов до простого реперного состояния
- Длительное релевантное время декогеренции
- «Универсальный» набор квантовых вентилей
- Возможность измерения, зависящего от кубита
Остальные два необходимы для квантовой коммуникации :
- Возможность взаимного преобразования стационарных и летающих кубитов
- Возможность достоверной передачи летающих кубитов между указанными точками
Обоснование
Ди Винченцо предложил свои критерии после многих попыток построить квантовый компьютер. Ниже описывается, почему эти утверждения важны, и приводятся примеры.
Масштабируемость с помощью хорошо охарактеризованных кубитов
Большинство моделей квантовых вычислений требуют использования кубитов. Квантово-механически кубит определяется как двухуровневая система с некоторой энергетической щелью. Иногда это может быть трудно реализовать физически, и поэтому мы сосредотачиваемся на конкретном переходе атомных уровней. Какую бы систему мы ни выбрали, мы требуем, чтобы система почти всегда оставалась в подпространстве этих двух уровней, и при этом мы можем сказать, что это хорошо охарактеризованный кубит. Примером недостаточно охарактеризованной системы могут быть две одноэлектронные квантовые точки с потенциальными ямами, каждая из которых занята одним электроном в одной или другой яме , что правильно охарактеризовано как один кубит. Однако при рассмотрении такого состояния, как, такая система соответствовала бы двухкубитному состоянию.
С помощью современных технологий можно создать систему, которая имеет хорошо охарактеризованный кубит, но создать систему, имеющую произвольное количество хорошо охарактеризованных кубитов, является сложной задачей. В настоящее время одна из самых больших проблем, с которыми приходится сталкиваться, заключается в том, что нам требуются экспериментальные установки экспоненциально большего размера для размещения большего количества кубитов. Квантовый компьютер способен экспоненциально ускоряться при вычислении классических алгоритмов факторизации чисел на простые множители; но если для этого требуется экспоненциально большая установка, то наше преимущество теряется. В случае использования ядерного магнитного резонанса в жидком состоянии (ЯМР) было обнаружено, что увеличение макроскопических размеров привело к инициализации системы, которая оставила вычислительные кубиты в сильно смешанном состоянии . [4] Несмотря на это, была найдена вычислительная модель, которая все еще могла использовать эти смешанные состояния для вычислений, но чем более смешанными являются эти состояния, тем слабее сигнал индукции, соответствующий квантовому измерению. Если этот сигнал ниже порога шума, решение состоит в том, чтобы увеличить размер выборки, чтобы повысить мощность сигнала; и это источник немасштабируемости ЯМР в жидком состоянии как средства квантовых вычислений. Можно сказать, что по мере увеличения числа вычислительных кубитов они становятся менее хорошо охарактеризованными, пока мы не достигнем порога, при котором они перестают быть полезными.
Инициализация кубитов до простого реперного состояния
Все модели квантовых и классических вычислений основаны на выполнении операций над состояниями, поддерживаемыми кубитами или битами, а также на измерении и сообщении результата - процедуре, которая зависит от начального состояния системы. В частности, унитарность квантовой механики делает инициализацию кубитов чрезвычайно важной. Во многих случаях инициализация выполняется путем отжига системы до основного состояния. Это особенно важно, когда вы рассматриваете квантовую коррекцию ошибок , процедуру для выполнения квантовых процессов, устойчивых к определенным типам шума и требующих большого количества недавно инициализированных кубитов, что накладывает ограничения на скорость инициализации.
Пример отжига описан в статье 2005 года Петта и др., Где пара электронов Белла приготовлена в квантовых точках. Эта процедура полагается на T 1 для отжига системы, и в статье основное внимание уделяется измерению времени релаксации T 2 системы квантовых точек и дает представление о задействованных временных масштабах (миллисекунды), что было бы фундаментальным препятствием, учитывая, что тогда время декогеренции короче времени инициализации. [5] Для сокращения времени инициализации и повышения точности процедуры были разработаны альтернативные подходы (обычно с использованием оптической накачки [6] ).
Длительное релевантное время декогеренции
Декогеренция - это проблема, с которой сталкиваются большие макроскопические квантовые вычислительные системы. Квантовые ресурсы, используемые моделями квантовых вычислений ( суперпозиция или запутанность ), быстро разрушаются декогеренцией. Длительное время декогеренции желательно, гораздо дольше , чем в среднем затвора время, так что декогерентность можно бороться с коррекцией ошибок или динамической развязкой . В твердотельном ЯМР с использованием центров азот-вакансия орбитальный электрон испытывает короткое время декогеренции, что затрудняет вычисления; Предлагаемое решение заключалось в кодировании кубита в ядерном спине атома азота, увеличивая тем самым время декогеренции. В других системах, таких как квантовая точка, проблемы с сильным влиянием окружающей среды ограничивают время декогеренции T 2 . Системы, которыми можно быстро манипулировать (посредством сильных взаимодействий), как правило, испытывают декогеренцию через те же самые сильные взаимодействия, и поэтому существует компромисс между возможностью реализации контроля и повышенной декогеренцией.
«Универсальный» набор квантовых вентилей
Как в классических, так и в квантовых вычислениях алгоритмы, которые мы можем вычислить, ограничены количеством шлюзов, которые мы можем реализовать. В случае квантовых вычислений универсальный квантовый компьютер ( квантовая машина Тьюринга ) может быть построен с использованием очень небольшого набора 1- и 2-кубитных вентилей. Любая экспериментальная установка, позволяющая получить хорошо охарактеризованные кубиты; быстрая и точная инициализация; и длительное время декогеренции также должно быть способно влиять на гамильтониан (полную энергию) системы, чтобы произвести согласованные изменения, способные реализовать универсальный набор вентилей . Идеальная реализация вентилей не всегда необходима, поскольку могут быть созданы последовательности вентилей, более устойчивые к определенным моделям систематического и случайного шума. [7] ЯМР в жидком состоянии был одной из первых установок, способных реализовать универсальный набор вентилей за счет использования точного времени и импульсов магнитного поля. Однако, как упоминалось выше, эта система не была масштабируемой.
Возможность измерения, зависящего от кубита
Для любого процесса, изменяющего квантовые состояния кубитов, окончательное измерение этих состояний имеет фундаментальное значение при выполнении вычислений. Если наша система позволяет проводить неразрушающие проективные измерения, то, в принципе, это можно использовать для подготовки состояния. Измерение лежит в основе всех квантовых алгоритмов, особенно в таких концепциях, как квантовая телепортация . Методы измерения, неэффективные на 100%, обычно повторяются, чтобы увеличить вероятность успеха. Примеры надежных измерительных устройств можно найти в оптических системах, где гомодинные детекторы достигли точки надежного подсчета количества фотонов, прошедших через сечение детектирования. Более сложным является измерение квантовых точек, где энергетический зазор между а также ( синглетное состояние ) используется для измерения относительных спинов двух электронов. [5]
Преобразование стационарных и летающих кубитов и точная передача летающих кубитов между указанными местоположениями
Взаимное преобразование и передача необходимы при рассмотрении протоколов квантовой связи, таких как квантовое распределение ключей, которые включают обмен когерентными квантовыми состояниями или запутанными кубитами (например, протокол BB84 ). При создании пар запутанных кубитов в экспериментальных установках эти кубиты обычно являются «стационарными» и не могут быть перемещены из лаборатории. Если эти кубиты могут быть отправлены в виде летающих кубитов, например, закодированы в поляризацию фотона, то можно рассмотреть возможность отправки запутанных фотонов третьей стороне и их извлечения этой информации, оставляя два запутанных неподвижных кубита в двух разных местах. Возможность передавать летающий кубит без декогеренции является серьезной проблемой. В настоящее время в Институте квантовых вычислений пытаются создать пару запутанных фотонов и передать один из фотонов в какую-то другую часть мира, отражая его от спутника. Основная проблема сейчас - это декогеренция, которую испытывает фотон при взаимодействии с частицами в атмосфере. Точно так же были предприняты некоторые попытки использовать оптические волокна, хотя из-за ослабления сигнала это не стало реальностью.
Смотрите также
- Квантовые вычисления
- Квантовый компьютер ядерного магнитного резонанса
- Квантовый компьютер с захваченными ионами
Рекомендации
- ^ Ди Винченцо, Дэвид П. (2000-04-13). «Физическая реализация квантовых вычислений». Fortschritte der Physik . 48 (9–11): 771–783. arXiv : квант-ph / 0002077 . Bibcode : 2000ForPh..48..771D . DOI : 10.1002 / 1521-3978 (200009) 48: 9/11 <771 :: АИД-PROP771> 3.0.CO; 2-Е .
- ^ Манин, Ю. И. (1980). Vychislimoe я nevychislimoe [ Computable и невычислимые ] (на русском языке ). Сов.радио. С. 13–15. Архивировано из оригинала на 2013-05-10 . Проверено 4 марта 2013 .
- ^ Фейнман, Р.П. (июнь 1982 г.). «Моделирование физики с помощью компьютеров». Международный журнал теоретической физики . 21 (6): 467–488. Bibcode : 1982IJTP ... 21..467F . CiteSeerX 10.1.1.45.9310 . DOI : 10.1007 / BF02650179 .
- ^ Menicucci NC, Caves CM (2002). «Локальная реалистическая модель динамики объемно-ансамблевой обработки информации ЯМР». Письма с физическим обзором . 88 (16): 167901. Arxiv : колич-фот / 0111152 . Bibcode : 2002PhRvL..88p7901M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.88.167901 . PMID 11955265 .
- ^ а б Петта, младший; Джонсон, AC; Тейлор, JM; Лэрд, EA; Якоби, А .; Лукин, д.м.н .; Маркус, CM; Хэнсон, член парламента; Госсард, AC (сентябрь 2005 г.). «Когерентное манипулирование связанными электронными спинами в полупроводниковых квантовых точках». Наука . 309 (5744): 2180–2184. Bibcode : 2005Sci ... 309.2180P . CiteSeerX 10.1.1.475.4833 . DOI : 10.1126 / science.1116955 . PMID 16141370 .
- ^ Ататюр, Мете; Драйзер, Ян; Бадолато, Антонио; Хёгеле, Александр; Каррай, Халед; Имамоглу, Атак (апрель 2006 г.). "Получение спиновых состояний квантовых точек с точностью до единицы". Наука . 312 (5773): 551–553. Bibcode : 2006Sci ... 312..551A . DOI : 10.1126 / science.1126074 . PMID 16601152 .
- ^ Грин, Тодд Дж .; Шастраван, Джарра; Уйс, Германн; Бирчук, Майкл Дж. (Сентябрь 2013 г.). «Произвольное квантовое управление кубитами при наличии универсального шума». Новый журнал физики . 15 (9): 095004. arXiv : 1211.1163 . Bibcode : 2013NJPh ... 15i5004G . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 15/9/095004 .