第一个系列:为什么量子计算与量子效应不同,这些计算机工作在一个大的挑战。
量子计算最近吸引了大量的关注。最近披露的有关美国国家安全局的程度的数据收集计划,连同几个大型企业数据泄露,注意安全通信的需求。量子计算对数据安全性具有极其深远的影响,同时减少了传统加密技术的有效性和提供替代方法,理论上是牢不可破的。
与此同时,递波系统声称是第一个商用量子计算系统。参数的结果递波是否取得实际上是在自然和“量子”,如果他们是如何衡量这样的一个系统的性能。
这是第一个在一系列的文章对量子计算的硬件和软件。量子计算机是什么?如何构建一个?和它如何被应用到有用的问题?
量子效应和量子计算
集成电路行业一直处理量子现象很长时间了。足够小的结构可以创建量子阱、量子点、带电粒子被困在里面。在半导体激光器量子井是必不可少的,例如。在硅集成电路,一个足够薄的介电层允许运营商穿透,造成设备泄漏。门隧道主要原因是高介电常数的引入门材料。更大的物理厚度的氧化所需的等效厚度减少隧道。
量子计算是不同的。事实上,一些研究人员更愿意称之为量子信息处理,描述系统中通过量子计算进行交互。
作为一个思想实验,考虑一个单电子,如被困在一个量子点或氢原子轨道。它有一个旋转,要么(| 1 >)或(| 0 >),两个选择是等可能的。实际上,直到测量时,电子在两个状态的叠加态,写| 0 > + | 1 >。这是一个量子位。它可以初始化| 0 >或磁场的| 1 >状态,并将保持该状态一段,称为相干时间,这取决于环境条件。
相反,如果我们有一个氢分子,有两个电子,我们可以认为这些是两个量子位元。如果他们足够接近彼此交互,据说他们正在“纠缠”,和四个州是:| 00 >,| 10 > 01 > |和| 11 >。像以前一样,系统在所有四个州的叠加,与四个同样可能。理论上,许多量子位的组装是可能的,可能状态的数目是2n,在那里n是量子位的数量。
如果单个量子比特纠缠,例如,使用磁场控制的一个电子的自旋会限制整个系统的状态。在我们假设的两电子系统,初始化一个电子| 1 >状态意味着| 00 >状态不再可用系统作为一个整体。这些交互可以构造量子逻辑,在其中输入量子位控制输出量子位的行为根据明确的规则。事实上,早在1985年,大卫·多伊奇证明了量子力学,像传统gate-based逻辑,可以用于构造turing设置的操作。正是量子运营商最适合于现实世界的计算仍然是一个悬而未决的问题,并将在后面的文章中详细论述。
到目前为止,这听起来令人放心的是正常的,就像传统的逻辑在硅制造的。不过,不要被愚弄了。量子计算机的独特性是藏在那句话量子位之间的相互作用。在传统逻辑中,盖茨是决定性的。一个与门返回TRUE当且仅当两个输入是正确的。然而,盖茨量子概率。每个应用约束使一些州比其他人更有可能。然而,实际的系统状态是未知的,直到测量组件的量子位。事实上,测量组件量子位的行为扰乱破坏量子态的叠加计算。相比之下,在传统逻辑,完成内存的系统状态可以被记录,存储,并放置在未来时间到计算机的内存中。
它有什么好处呢?
这种测量和操纵量子位之间的区别使得设计和编程量子计算机很有挑战性,但,这其中的好处是潜在地巨大。纠缠允许量子计算机物理系统模型在概念上优雅的方式。准备一个量子位元数组对应系统的初始状态感兴趣的——比如一个表面被离子轰击。让量子位元相互作用时受到外部的磁场扰动信号,比如数组。经过一段时间后,记录数组中量子比特的州。
在这样的模拟,所需的量子尺度n感兴趣的,粒子的数量。中包含的粒子之间的相互作用状态的叠加;如上所述,有2n可能状态的n量子位。相比之下,在经典模拟相同的系统建模为一系列的n向量,每个粒子感兴趣的一个,但向量之间的交互必须显式定义的。因此,所需的资源规模为2n。
开发的算法对于量子信息处理是一个复杂的主题,并将在以后的文章中更详细地检查了在本系列。目前,我只想说,多体的模拟是一个类的量子算法的问题可能更快,更多的资源效率比经典算法。其他问题,量子计算提供优势可能包括保理大量加密的一个关键问题——和排名列表,如索引的网页。
它是如何做的?
之前这些问题可以解决,不过,有必要建立一个量子计算机。很容易谈论操纵单个电子自旋,但实际上这样做需要消除的杂散磁场和其他环境环境力量。甚至附近的原子核的自旋。
一旦完成,量子位纠缠必须维持足够长的时间来执行所需的计算。绩效的关键人物包括一个量子态的相干时间,以及国家之间的耦合强度。
因为量子交互发生在非常短的距离,但实际问题需要10年代或100年代的量子位,需要有一种机制分离量子位之间的传输信息,同时保留状态的叠加。简单地读出的值一套量子位与这些值不会重新编码另一组工作。
本系列的下一文章中考虑两个量子位的潜在候选人-氮-空位中心钻石和超导铌循环,并检查潜在的解决这些问题的背景下,这些系统。
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