duimnael| IBM Q System One, 'n kwantumrekenaar met twintig supergeleidende kwabisse. 'n Kwantumrekenaar is 'n rekenaar wat gebruik maak van kwantummeganiese verskynsels. Op baie klein skale vertoon materie eienskappe van beide deeltjies en golwe, en kwantumrekenaars buit hierdie gedrag uit deur middel van gespesialiseerde hardeware. Klassieke fisika kan nie die werking van sulke kwantumtoestelle verduidelik nie. 'n Skaalbare kwantumrekenaar kan sommige berekeninge eksponensieel vinniger uitvoer as enige moderne "klassieke" rekenaar. 'n Kwantumrekenaar wat groot genoeg is kan moontlik alombekende enkripsieskemas omseil en fisici help om rekenaarnabootsings uit te voer. Die beste kwantumrekenaars wat mens op die oomblik kan kry, is egter steeds grootliks eksperimenteel en onprakties.
Die sentrale eenheid van inligting in kwantumberekening is die kwabis, wat vergelykbaar is aan die bis van klassieke digitale elektronika. Anders as met 'n klassieke bis, kan 'n kwabis egter in 'n samestelling van twee basistoestande wees, wat min of meer beteken dat dit gelyktydig in beide toestande bestaan. Wanneer 'n kwabis waargeneem word, is die resultaat 'n kansgebaseerde afvoer van 'n klassieke bis. As 'n kwantumrekenaar die kwabis op 'n bepaalde manier manipuleer, kan golfinterferensieeffekte die gewenste afvoerresultate versterk. Die ontwikkeling van kwantumalgoritmes behels die skepping van prosedures wat 'n kwantumrekenaar in staat stel om berekeninge effektief uit te voer.
Die daadwerklike fabrikasie van hoë gehalte kwabisse is 'n uitdaging. As 'n fisiese kwabis nie goed genoeg van sy omgewing geïsoleer is nie, ondergaan dit kwantumdekoherensie, wat ruising in berekeninge inbring. Regerings oor die hele wêreld belê groot bedrae geld in eksperimentele navorsing wat daarop gemik is om skaalbare kwabisse met langer koherensietye en laer foutkoerse te ontwikkel. Tans is die twee mees belowende tegnologieë supergeleiers (wat 'n elektriese stroom isoleer deur elektriese weerstand uit te skakel) en ioonvalle (wat enkele deeltjies vasvang deur middel van elektromagnetiese velde).
Enige berekeningsprobleem wat deur 'n klassieke rekenaar uitgereken kan word kan ook deur 'n kwantumrekenaar opgelos word. Aan die ander hand kan enige probleem wat deur 'n kwantumrekenaar opgelos kan word ook deur 'n klassieke rekenaar bereken word, gegewe dat daar voldoende tyd vir hierdie berekening beskikbaar is. Dit beteken dat kwantumrekenaars aan die Church-Turing tesis onderhewig is. Dus, hoewel kwantumrekenaars geen voordele bo klassieke rekenaars in terme van berekenbaarheid bied nie, het kwantumalgoritmes vir sekere probleme aansienlike laer tydskompleksiteit in vergelyking met ooreenstemmende klassieke algoritmes. Daar word geglo dat kwantumrekenaars sekere probleme wat geen klassieke rekenaar in 'n redelike tyd kan bereken nie, baie vinnig kan oplos — 'n prestasie wat as "kwantumvoordeel" bekendstaan. Die studie van die berekeningskompleksiteit van probleme met betrekking tot kwantumrekenaars staan bekend as kwantumkompleksiteitsteorie.
Geskiedenis duimnael|'n Mach-Zehnder-interferometer wys dat fotone golfinterferensie kan ondergaan. Vir die meerderheid van die geskiedenis van die velde van kwantummeganika en rekenaarwetenskap het die twee dissiplines afsonderlike akademiese gemeenskappe gevorm. Moderne kwantumteorie is in die 1920's ontwikkel om die golf-deeltjie-dualiteit wat op die skaal van atome waargeneem is te verduidelik, en digitale rekenaars is in die daaropvolgende dekades ontwikkel. Alhoewel toe nog afgesonder van mekaar, het albei dissiplines tydens die Tweede Wêreldoorlog praktiese toepassings gevind; rekenaars het 'n groot rol gespeel in oorlogskriptografie, en kwantumfisika was 'n noodsaaklike voorganger vir die kernfisika wat in die Manhattan-projek gebruik is.
Namate fisici kwantummeganiese modelle op berekeningsprobleme begin toepas het en digitale bisse vir kwabisse begin verruil het, het die velde van kwantummeganika en rekenaarwetenskap bymekaar begin kom. In 1980 stel Paul Benioff die kwantum-Turingmasjien voor, waar kwantumteorie gebruik word om 'n eenvoudige rekenaar te beskryf. Namate die berekeningsvermoeë van digitale rekenaars verbeter het, het fisici 'n eksponensiële toename in bokoste in die gesig gestaar wanneer hulle kwantumdinamika probeer naboots het, wat Yuri Manin en Richard Feynman daarnatoe gelei het om, onafhanklik van mekaar, voor te stel dat hardeware wat op kwantumverskynsels gebaseer is moontlik meer doeltreffend vir rekenaarnabootsing kon wees. In 'n 1984 artikel pas Charles Bennett en Gilles Brassard kwantumteorie op kriptografieprotokolle toe en demonstreer daarmee dat kwantumsleuteluitruiltegnieke inligtingsekuriteit kan verbeter. duimnael|Peter Shor het in 1994 gewys dat 'n skaalbare kwantumrekenaar daarin sou kon slaag om RSA-enkripsie te breek. Kwantumalgoritmes is toe voorgestel om orakelprobleme op te los, soos byvoorbeeld Deutsch se algoritme in 1985, die Bernstein-Vazirani-algoritme in 1993, en Simon se algoritme in 1994. Alhoewel hierdie algoritmes nie praktiese probleme oplos nie, is hulle 'n wiskundige demonstrasie dat 'n mens meer inligting kan verkry deur 'n swartkas in samestelling te bevraagteken: 'n tegniek wat as kwantumewewydigheid bekendstaan. Peter Shor bou dan voort op hierdie resultate met sy 1994 algoritmes vir die ontsyfering van die alombekende Diffie Hellman-enkripsieprotokolle, wat aansienlike aandag op die veld van kwantumrekenaars rig. In 1996 bring Grover se algoritme 'n kwantumversnelling vir die alomteenwoordige ongestruktureerde soekprobleem. In dieselfde jaar bewys Seth Lloyd dat kwantumrekenaars kwantumstelsels kan naboots sonder die eksponensiële bokoste wat klassieke simulasies behels; die resultaat bevestig Feynman se veronderstelling van 1982.
Deur die jare slaag eksperimentele fisici daarin om kleinskaalse kwantumrekenaars te bou deur ioonvalle en supergeleiers te gebruik. In 1998 demonstreer 'n twee-kwabis kwantumrekenaar dat die tegnologie wel prakties uitvoerbaar is. Daaropvolgende eksperimente voeg meer kwabisse by en verlaag foutkoerse. In 2019 kondig Google AI en NASA aan dat hulle kwantumvoordeel behaal het met 'n 54-kwabis masjien wat 'n berekening, wat onmoontlik is vir enige klassieke rekenaar, kan uitvoer. Die geldigheid van hierdie bewering word egter steeds bevraagteken.
Kwantuminligtingprosessering
Rekenaaringenieurs beskryf gewoonlik die werking van 'n rekenaar in terme van klassieke elektrodinamika . Binne-in hierdie "klassieke" rekenaars maak sekere komponente (soos halfgeleiers en kansgetalgenerators) wel op kwantummeganiese verskynsels staat, maar as gevolg van die feit dat sulke komponente nie van hul omgewing geïsoleer is nie, ondergaan enige kwantuminligting spoedig dekoherensie. Alhoewel rekenaarprogrammeerders van waarskynlikheidsleer gebruik maak wanneer hulle ewekansige algoritmes ontwerp, is kwantummeganiese konsepte soos samestelling en interferensie meestal irrelevant wanneer dit kom by programontleding.
Die implementering van kwantumrekenaarprogramme behels die noukeurige beheer van koherente kwantumstelsels. Fisici beskryf hierdie stelsels wiskundig met lineêre algebra. Komplekse getalle word ingespan om waarskynlikheidsamplitudes te modelleer, vektore word gebruik om kwantumtoestande voor te stel, en matrikse verteenwoordig die bewerkings wat op hierdie toestande uitgevoer kan word. Die programmering van 'n kwantumrekenaar is dan 'n kwessie van om hierdie bewerkings op so 'n manier saam te stel dat die program in teorie 'n nuttige resultaat kan bereken, asook in die praktyk daadwerklik uitvoerbaar is.
Die mees algemene model van kwantumberekening op die oomblik beskryf hierdie berekeninge in terme van 'n netwerk van kwantummeganiese logiese hekke. Hierdie model is 'n komplekse lineêr-algebraïese veralgemening van Boole-stroombane.
Kwantuminligting
Die kwabis is die eenvoudigste eenheid van kwantuminligting. Dit verteenwoordig, nes 'n klassieke bis, 'n sisteem met twee toestande. 'n Kwabis kan egter in 'n samestelling van sy twee basistoestande kan bestaan. 'n Samestelling kan dus gesien word as 'n waarskynlikheidsverdeling oor hierdie twee toestande. 'n Kwantumberekening kan gelyktydig deur beide toestande beïnvloed word, en op hierdie manier stoor 'n kwabis in samestelling beide waardes op dieselfde tyd.
Twee-dimensionele vektors kan gebruik word om kwabisse wiskundig voor te stel. Fisici gebruik gewoonlik die sogenaamde Diracnotasie vir kwantummeganiese lineêre algebra, en skryf byvoorbeeld (uitgespreek as "ket psi") vir die vektor . Aangesien 'n kwabis 'n stelsel met twee toestande is, het dit die algemene vorm , waar en die standaard basistoestande is, en en die waarskynlikheidsamplitudes genoem word. As óf óf nul is, is die kwabis vir alle praktiese doeleindes 'n klassieke bis. Wanneer albei koëffisiënte nie nul is nie, is die kwabis egter in samestelling. So 'n kwantumtoestandvektor se gedrag is soortgelyk aan die van 'n (klassieke) waarskynlikheidsvektor, met 'n belangrike verskil: anders as met waarskynlikhede, is die amplitudes nie noodwendig positiewe getalle nie. Destruktiewe golfinterferensie word inderdaad deur negatiewe amplitudes gefasiliteer.
Wanneer 'n kwabis in die standaardbasis waargeneem word, is die afvoer 'n klassieke bis. Die Born-reël beskryf die konneksie tussen die waarskynlikheidamplitudes en waarskynlikhede deur middel van 'n gekwadreerde norm: wanneer 'n kwabis waargeneem word, stort die toestand na ineen met waarskynlikheid van of na met waarskynlikheid van . 'n Geldige kwabistoestand het koëffisiënte en met die voorwaarde dat . 'n Voorbeeld: as 'n mens die kwabis waarneem, is die afvoer gelykkansig óf óf .
Elke bykomende kwabis verdubbel die dimensie van die betrokke staatsruimte. Byvoorbeeld, die vektor verteenwoordig 'n twee-kwabis toestand, en is die tensorproduk van die basistoestand met die kwabis . Hierdie vektor leef in 'n vier-dimensionele vektorruimte wat deur die basistoestande , , en oorspan word. Die sogenaamde Belltoestand kan nie as die tensorproduk van twee individuele kwabisse uitgedruk word nie. Dié twee kwabisse is dus verstrengel, aangesien hul onderskeidlike (kwantummeganiese) waarskynlikheidsamplitudes met mekaar gekorreleer is. Oor die algemeen is die dimensie van 'n -kwabis stelsel , en die is presies hoekom dit moeilik is vir 'n klassieke rekenaar om 'n kwantumrekenaar na te boots — byvoorbeeld, om 'n -kwabis stelsel voor te stel, moet die klassieke rekenaar waardes kan stoor.
Unitêre operators
Die toestand van 'n kwabis kan gemanipuleer word deur kwantum logiese hekke op dit toe te pas, soortgelyk aan hoe klassieke rekenaargeheue met klassieke logiese hekke gemanipuleer kan word. 'n Belangrike hek vir beide klassieke-en kwantumberekening is die sogenaamde NIE-hek, wat deur 'n sekere matriks voorgestel kan word,
Die toepassing van so 'n logiese hek op 'n kwantumtoestandvektor word wiskundig voorgestel deur matriksvermenigvuldiging. Dus, en . Die wiskundige raamwerk van enkelkwabishekke kan op twee maniere uitgebrei word om ook op multikwabistoestande van toepassing te wees: die eerste manier is eenvoudig om 'n sekere kwabis te kies en dan 'n hek op dit toe te pas, terwyl die res van die geheue onaangeraak gelaat word. Die ander moontlikheid is om die hek op 'n gegewe kwabis toe te pas slegs as 'n ander deel van die geheue in 'n sekere spesifieke toestand is. Ons illustreer hierdie twee moontlikhede met nog 'n voorbeeld: die moontlike toestande van 'n twee-kwabis kwantumgeheue is
Die CNOT-hek word dan deur die volgende matriks voorgestel,
Ons sien dan dat hierdie operator se werking as volg is, , , , en . Dus, die CNOT-hek pas 'n NIE-hek (kwantummeganies gesproke, 'n -hek) op die tweede kwabis toe as en slegs as die eerste kwabis in die toestand is. As die eerste kwabis die toestand aanneem, doen die hek niks nie.