EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals, kuantum bilgisinin ve kuantum hesaplamanın teorik ve pratik yönleri üzerine, klasik fizikten ziyade kuantum fiziği yasalarına dayanan ve klasik muadillerine göre niteliksel avantajlar sunan Avrupa BT Sertifikasyon programıdır.
EITC/QI/QIF Kuantum Bilgi Temelleri müfredatı, kuantum mekaniğine giriş (çift yarık deneyi ve madde dalga girişiminin dikkate alınması dahil), kuantum bilgisine giriş (kübitler ve geometrik temsilleri), ışık polarizasyonu, belirsizlik ilkesi, kuantum dolaşıklık, EPR paradoksu, Bell eşitsizliği ihlali, yerel gerçekçiliğin terk edilmesi, kuantum bilgi işleme (üniter dönüşüm, tek kübit ve iki kübit kapıları dahil), klonlamama teoremi, kuantum ışınlama, kuantum ölçümü, kuantum hesaplama (çoklu teknolojiye giriş dahil) -qubit sistemleri, evrensel kapı ailesi, hesaplamanın tersine çevrilebilirliği), kuantum algoritmaları (Quantum Fourier Dönüşümü, Simon'ın algoritması, genişletilmiş Churh-Turing tezi, Shor'q kuantum faktoring algoritması, Grover'ın kuantum arama algoritması), kuantum gözlemlenebilirleri, Shrodinger denklemi, kübit uygulamaları, kuantum karmaşıklığı teorisi, adyabatik kuantum hesaplama ion, BQP, döndürmeye giriş, aşağıdaki yapı içinde, bu EITC Sertifikasyonu için referans olarak kapsamlı video didaktik içeriği kapsar.
Kuantum bilgisi, bir kuantum sisteminin durum bilgisidir. Kuantum bilgi teorisindeki çalışmanın temel öğesidir ve kuantum bilgi işleme teknikleri kullanılarak manipüle edilebilir. Kuantum bilgisi, hem Von Neumann entropisi açısından teknik tanımı hem de genel hesaplama terimini ifade eder.
Kuantum bilgi ve hesaplama, diğer alanların yanı sıra kuantum mekaniği, bilgisayar bilimi, bilgi teorisi, felsefe ve kriptografiyi içeren disiplinlerarası bir alandır. Çalışması aynı zamanda bilişsel bilim, psikoloji ve sinirbilim gibi disiplinlerle de ilgilidir. Ana odak noktası, maddeden mikroskobik ölçekte bilgi çıkarmaktır. Bilimde gözlem, gerçekliğin temel ayırt edici bir kriteridir ve bilgi edinmenin en önemli yollarından biridir. Bu nedenle, gözlemi nicelleştirmek için ölçüm gereklidir, bu da onu bilimsel yöntem için çok önemli kılar. Kuantum mekaniğinde, belirsizlik ilkesi nedeniyle, değişmeyen gözlemlenebilirler, bir temeldeki özdurum diğer bazdaki özdurum olmadığından, aynı anda tam olarak ölçülemez. Her iki değişken de aynı anda iyi tanımlanmadığından, bir kuantum durumu hiçbir zaman her iki değişken hakkında kesin bilgi içeremez. Kuantum mekaniğindeki ölçümün bu temel özelliğinden dolayı, bu teori, tamamen deterministik olan klasik mekaniğin aksine, genel olarak deterministik olmayan olarak karakterize edilebilir. Kuantum durumlarının belirsizliği, kuantum sistemlerinin durumları olarak tanımlanan bilgiyi karakterize eder. Matematiksel olarak bu durumlar, klasik sistemlerin durumlarının süperpozisyonları (doğrusal kombinasyonları) halindedir.
Bilgi her zaman fiziksel bir sistem halinde kodlandığından, kendi içinde fizikseldir. Kuantum mekaniği, maddenin özelliklerini mikroskobik düzeyde incelemekle ilgilenirken, kuantum bilgi bilimi, bu özelliklerden bilgi çıkarmaya odaklanır ve kuantum hesaplama, kuantum bilgi işleme tekniklerini kullanarak kuantum bilgisini manipüle eder ve işler - mantıksal işlemleri gerçekleştirir.
Kuantum bilgi, klasik bilgi gibi bilgisayarlar kullanılarak işlenebilir, bir yerden başka bir yere iletilebilir, algoritmalarla manipüle edilebilir ve bilgisayar bilimi ve matematik ile analiz edilebilir. Klasik bilginin temel biriminin bit olması gibi, kuantum bilgisi de 0 ve 1 süperpozisyonunda var olabilen (aynı anda biraz doğru ve yanlış olmak üzere) kübitlerle ilgilenir. Kuantum bilgisi, ölçümlerinde tamamen klasik olmayan yerel olmayan korelasyonları gösteren ve kuantum ışınlama gibi uygulamaları mümkün kılan dolanık hallerde de bulunabilir. Dolaşma düzeyi, aynı zamanda kuantum bilgisinin bir ölçüsü olan Von Neumann entropisi kullanılarak ölçülebilir. Son zamanlarda, kuantum hesaplama alanı, modern hesaplama, iletişim ve kriptografiyi bozma olasılığı nedeniyle çok aktif bir araştırma alanı haline geldi.
Kuantum bilgisinin tarihi, klasik fiziğin kuantum fiziğine dönüştüğü 20. yüzyılın başında başladı. Klasik fizik teorileri, ultraviyole felaketi veya çekirdeğe dönen elektronlar gibi saçmalıkları tahmin ediyordu. İlk başta bu problemler, klasik fiziğe ad hoc hipotez eklenerek bir kenara atıldı. Kısa süre sonra, bu saçmalıkları anlamlandırmak için yeni bir teorinin yaratılması gerektiği ortaya çıktı ve kuantum mekaniği teorisi doğdu.
Kuantum mekaniği, dalga mekaniği kullanılarak Schrödinger ve matris mekaniği kullanılarak Heisenberg tarafından formüle edildi. Bu yöntemlerin eşdeğerliği daha sonra kanıtlanmıştır. Formülasyonları, mikroskobik sistemlerin dinamiklerini tanımladı, ancak ölçüm süreçlerini tanımlamada yetersiz olan birkaç yönü vardı. Von Neumann, operatör cebiri kullanarak kuantum teorisini, hem ölçümü hem de dinamiği tanımlayacak şekilde formüle etti. Bu çalışmalar, ölçümler yoluyla bilgi çıkarmaya yönelik nicel bir yaklaşımdan ziyade ölçümün felsefi yönlerini vurgulamıştır.
1960'larda Stratonovich, Helstrom ve Gordon, kuantum mekaniği kullanan bir optik iletişim formülasyonu önerdiler. Bu, kuantum bilgi teorisinin ilk tarihsel görünümüydü. Esas olarak iletişim için hata olasılıkları ve kanal kapasiteleri üzerinde çalıştılar. Daha sonra Holevo, klasik bir mesajın bir kuantum kanalı aracılığıyla iletilmesinde bir üst iletişim hızı sınırı elde etti.
1970'lerde, atom tuzağı ve taramalı tünelleme mikroskobu gibi tek atomlu kuantum durumlarını manipüle etmek için teknikler geliştirilmeye başlandı, bu da tek atomları izole etmeyi ve diziler halinde düzenlemeyi mümkün kıldı. Bu gelişmelerden önce, tek kuantum sistemleri üzerinde kesin kontrol mümkün değildi ve deneylerde çok sayıda kuantum sistemi üzerinde daha kaba, eşzamanlı kontrol kullanıldı. Uygulanabilir tek durumlu manipülasyon tekniklerinin geliştirilmesi, kuantum bilgisi ve hesaplama alanında artan ilgiye yol açtı.
1980'lerde, Einstein'ın görelilik teorisini çürütmek için kuantum etkilerini kullanmanın mümkün olup olmayacağına ilgi arttı. Bilinmeyen bir kuantum durumunu klonlamak mümkün olsaydı, bilgiyi ışık hızından daha hızlı iletmek için dolanık kuantum durumlarını kullanmak, Einstein'ın teorisini çürütmek mümkün olurdu. Ancak, klonlamama teoremi, böyle bir klonlamanın imkansız olduğunu gösterdi. Teorem, kuantum bilgi teorisinin en erken sonuçlarından biriydi.
Kriptografiden geliştirme
İzole kuantum sistemlerini incelemek ve görelilik teorisini aşmanın bir yolunu bulmaya çalışmak konusundaki tüm heyecana ve ilgiye rağmen, kuantum bilgi teorisindeki araştırmalar 1980'lerde durgunlaştı. Bununla birlikte, aynı zamanda, kuantum bilgi ve hesaplamayla başka bir yol daha uğraşmaya başladı: Kriptografi. Genel anlamda kriptografi, birbirine güvenmeyen iki veya daha fazla tarafı içeren iletişim veya hesaplama yapma sorunudur.
Bennett ve Brassard, BB84 kuantum kriptografik protokolünü kullanarak uzun mesafelerde gizlice iletişim kurmanın bir yolu olan, tespit edilmeden gizlice dinlemenin imkansız olduğu bir iletişim kanalı geliştirdiler. Ana fikir, kuantum mekaniğinin gözlemin gözlemleneni rahatsız ettiği temel ilkesinin kullanılmasıydı ve güvenli bir iletişim hattına bir gizli dinleme cihazının sokulması, iletişim kurmaya çalışan iki tarafın kulak misafirinin varlığından haberdar olmasını hemen sağlayacaktır.
Bilgisayar bilimi ve matematikten gelişme
Alan Turing'in programlanabilir bir bilgisayar veya Turing makinesiyle ilgili devrim niteliğindeki fikirlerinin ortaya çıkmasıyla birlikte, gerçek dünyadaki herhangi bir hesaplamanın bir Turing makinesini içeren eşdeğer bir hesaplamaya çevrilebileceğini gösterdi. Bu, Church-Turing tezi olarak bilinir.
Çok geçmeden, ilk bilgisayarlar yapıldı ve bilgisayar donanımı o kadar hızlı büyüdü ki, üretimdeki deneyim yoluyla büyüme, Moore yasası adı verilen ampirik bir ilişkide kodlandı. Bu 'yasa', bir entegre devredeki transistör sayısının her iki yılda bir ikiye katlandığını belirten projektif bir eğilimdir. Transistörler, yüzey alanı başına daha fazla güç paketlemek için küçülmeye başladıkça, elektronikte kuantum etkileri ortaya çıkmaya başladı ve bu da yanlışlıkla girişime neden oldu. Bu, algoritmaları tasarlamak için kuantum mekaniğini kullanan kuantum hesaplamanın ortaya çıkmasına yol açtı.
Bu noktada kuantum bilgisayarlar, belirli belirli problemler için klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı olma vaadi gösterdi. Böyle bir örnek problem, Deutsch-Jozsa algoritması olarak bilinen David Deutsch ve Richard Jozsa tarafından geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bu problem pratik uygulamalara çok az veya hiç sahip değildi. 1994'te Peter Shor, bir tamsayının asal çarpanlarını bulma konusunda çok önemli ve pratik bir problem buldu. Ayrık logaritma problemi olarak adlandırılan bu problem, bir kuantum bilgisayarda verimli bir şekilde çözülebilir, ancak klasik bir bilgisayarda çözülemez, bu da kuantum bilgisayarların Turing makinelerinden daha güçlü olduğunu gösterir.
Bilgi teorisinden geliştirme
Bilgisayar biliminin bir devrim yaptığı zamanlarda, Claude Shannon aracılığıyla bilgi teorisi ve iletişim de öyleydi. Shannon, bilgi teorisinin iki temel teoremini geliştirdi: gürültüsüz kanal kodlama teoremi ve gürültülü kanal kodlama teoremi. Ayrıca, gönderilen bilgileri korumak için hata düzeltme kodlarının kullanılabileceğini de gösterdi.
Kuantum bilgi teorisi de benzer bir yörünge izledi, Ben Schumacher 1995'te qubit kullanarak Shannon'ın gürültüsüz kodlama teoreminin bir benzerini yaptı. Kuantum bilgisayarların gürültüden bağımsız olarak verimli hesaplamalar yapmasını ve gürültülü kuantum kanalları üzerinden güvenilir iletişim kurmasını sağlayan bir hata düzeltme teorisi de geliştirildi.
Kübitler ve bilgi teorisi
Kuantum bilgisi, birçok çarpıcı ve alışılmadık şekilde, bit tarafından özetlenen klasik bilgiden güçlü bir şekilde farklıdır. Klasik bilginin temel birimi bit iken, kuantum bilginin en temel birimi kübittir. Klasik bilgi, Shannon entropisi kullanılarak ölçülürken, kuantum mekanik analogu Von Neumann entropisidir. Kuantum mekanik sistemlerinin istatistiksel bir topluluğu, yoğunluk matrisi ile karakterize edilir. Klasik bilgi teorisindeki birçok entropi ölçümü, Holevo entropisi ve koşullu kuantum entropisi gibi kuantum durumuna genelleştirilebilir.
Klasik dijital durumların (ayrık olan) aksine, bir kübit, Bloch küresi üzerindeki bir yön ile tanımlanabilen sürekli değerlidir. Bu şekilde sürekli olarak değerlenmesine rağmen, bir kübit, kuantum bilgisinin mümkün olan en küçük birimidir ve kübit durumunun sürekli-değerli olmasına rağmen, değeri tam olarak ölçmek imkansızdır. Beş ünlü teorem, kuantum bilgisinin manipülasyonunun sınırlarını tanımlar:
- bir kübitin (tamamen) klasik bitlere dönüştürülemeyeceğini belirten ışınlanmama teoremi; yani tam olarak “okunamaz”,
- keyfi bir kübitin kopyalanmasını engelleyen klonlama yok teoremi,
- keyfi bir kübitin silinmesini engelleyen silinmeyen teoremi,
- keyfi bir kübitin bir yerden bir yere taşınabilmesine rağmen (örneğin kuantum ışınlama yoluyla) birden fazla alıcıya teslim edilmesini engelleyen yayın yok teoremi,
- Kuantum bilgisinin korunumunu gösteren no-hiing teoremi, Bu teoremler, evrendeki kuantum bilgisinin korunduğunu kanıtlar ve kuantum bilgi işlemede benzersiz olasılıklar açarlar.
Kuantum bilgi işleme
Bir kübitin durumu tüm bilgilerini içerir. Bu durum sıklıkla Bloch küresi üzerinde bir vektör olarak ifade edilir. Bu durum, onlara doğrusal dönüşümler veya kuantum kapıları uygulanarak değiştirilebilir. Bu üniter dönüşümler, Bloch Sphere'de rotasyonlar olarak tanımlanır. Klasik kapılar, Boole mantığının tanıdık işlemlerine karşılık gelirken, kuantum kapıları fiziksel üniter operatörlerdir.
Kuantum sistemlerinin değişkenliği ve durumların kopyalanmasının imkansızlığı nedeniyle, kuantum bilgilerinin depolanması klasik bilgilerin depolanmasından çok daha zordur. Bununla birlikte, kuantum hata düzeltmesinin kullanılmasıyla, kuantum bilgisi prensipte hala güvenilir bir şekilde saklanabilir. Kuantum hata düzeltme kodlarının varlığı, hataya dayanıklı kuantum hesaplama olasılığına da yol açmıştır.
Klasik bitler, kuantum geçitleri kullanılarak kübit konfigürasyonlarına kodlanabilir ve daha sonra bunlardan alınabilir. Tek başına, tek bir kübit, hazırlığı hakkında bir bitten fazla erişilebilir klasik bilgi aktaramaz. Bu Holevo'nun teoremi. Bununla birlikte, süper yoğun kodlamada bir gönderici, iki dolaşmış kübitten biri üzerinde hareket ederek, ortak durumları hakkında iki bit erişilebilir bilgiyi bir alıcıya iletebilir.
Kuantum bilgisi, klasik bir iletişim kanalı kavramına benzer şekilde, bir kuantum kanalında hareket ettirilebilir. Kuantum mesajlarının kübit cinsinden ölçülen sonlu bir boyutu vardır; kuantum kanalları, saniyede kübit olarak ölçülen sonlu bir kanal kapasitesine sahiptir.
Kuantum bilgisi ve kuantum bilgisindeki değişiklikler, von Neumann entropisi adı verilen bir Shannon entropisi analoğu kullanılarak nicel olarak ölçülebilir.
Bazı durumlarda, hesaplamaları bilinen herhangi bir klasik algoritmadan daha hızlı gerçekleştirmek için kuantum algoritmaları kullanılabilir. Bunun en ünlü örneği, alt-üssel zaman alan en iyi klasik algoritmalara kıyasla, polinom zamanında sayıları çarpanlarına ayırabilen Shor algoritmasıdır. Çarpanlara ayırma, RSA şifrelemesinin güvenliğinin önemli bir parçası olduğundan, Shor'un algoritması, kuantum bilgisayarlar oyundayken bile güvenli kalan şifreleme şemalarını bulmaya çalışan yeni kuantum sonrası şifreleme alanını ateşledi. Kuantum üstünlüğünü gösteren diğer algoritma örnekleri, kuantum algoritmasının mümkün olan en iyi klasik algoritma üzerinde ikinci dereceden bir hızlanma sağladığı Grover'ın arama algoritmasını içerir. Bir kuantum bilgisayar tarafından verimli bir şekilde çözülebilen problemlerin karmaşıklık sınıfı BQP olarak bilinir.
Kuantum anahtar dağıtımı (QKD), pratikte olmasa da prensipte her zaman kırılabilen klasik şifrelemenin aksine, klasik bilgilerin koşulsuz olarak güvenli iletimini sağlar. QKD'nin güvenliği ile ilgili bazı ince noktaların hala hararetli bir şekilde tartışıldığını unutmayın.
Yukarıdaki tüm konuların ve farklılıkların incelenmesi, kuantum bilgi teorisini içerir.
Kuantum mekaniği ile ilişkisi
Kuantum mekaniği, mikroskobik fiziksel sistemlerin doğada dinamik olarak nasıl değiştiğinin incelenmesidir. Kuantum bilgi teorisi alanında, çalışılan kuantum sistemleri, gerçek dünyadaki herhangi bir karşılıktan soyutlanmıştır. Bir kübit, örneğin fiziksel olarak doğrusal bir optik kuantum bilgisayardaki bir foton, hapsedilmiş bir iyon kuantum bilgisayarındaki bir iyon veya süper iletken bir kuantum bilgisayardaki gibi büyük bir atom koleksiyonu olabilir. Fiziksel uygulamadan bağımsız olarak, kuantum bilgi teorisinin ima ettiği kübitlerin sınırları ve özellikleri, tüm bu sistemler karmaşık sayılar üzerinde aynı yoğunluk matrisleri aygıtı tarafından matematiksel olarak tanımlandığından geçerlidir. Kuantum mekaniği ile bir diğer önemli fark, kuantum mekaniği genellikle harmonik osilatör gibi sonsuz boyutlu sistemleri incelerken, kuantum bilgi teorisinin hem sürekli değişken sistemler hem de sonlu boyutlu sistemler ile ilgili olmasıdır.
Kuantum hesaplama
Kuantum hesaplama, hesaplamaları gerçekleştirmek için kuantum durumlarının süperpozisyon, girişim ve dolaşma gibi toplu özelliklerinden yararlanan bir tür hesaplamadır. Kuantum hesaplamaları yapan cihazlar kuantum bilgisayarları olarak bilinir.: I-5 Mevcut kuantum bilgisayarları, pratik uygulamalar için olağan (klasik) bilgisayarlardan daha iyi performans gösteremeyecek kadar küçük olsa da, tamsayı çarpanlarına ayırma gibi belirli hesaplama problemlerini çözebileceklerine inanılmaktadır. (RSA şifrelemesinin temelini oluşturur), klasik bilgisayarlardan önemli ölçüde daha hızlıdır. Kuantum hesaplama çalışması, kuantum bilgi biliminin bir alt alanıdır.
Kuantum hesaplama, 1980 yılında fizikçi Paul Benioff'un Turing makinesinin kuantum mekanik modelini önermesiyle başladı. Richard Feynman ve Yuri Manin daha sonra bir kuantum bilgisayarın, klasik bir bilgisayarın yapamayacağı şeyleri simüle etme potansiyeline sahip olduğunu öne sürdüler. 1994 yılında Peter Shor, RSA şifreli iletişimin şifresini çözme potansiyeline sahip tam sayıları çarpanlara ayırmak için bir kuantum algoritması geliştirdi. 1998'de Isaac Chuang, Neil Gershenfeld ve Mark Kubinec, hesaplamalar yapabilen ilk iki kübitlik kuantum bilgisayarı yarattı. 1990'ların sonlarından bu yana devam eden deneysel ilerlemeye rağmen, çoğu araştırmacı "hataya dayanıklı kuantum hesaplamanın hala oldukça uzak bir hayal olduğuna" inanıyor. Son yıllarda, kamu ve özel sektörde kuantum hesaplama araştırmalarına yapılan yatırımlar artmıştır. 23 Ekim 2019'da Google AI, ABD Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) ile ortaklaşa, herhangi bir klasik bilgisayarda mümkün olmayan bir kuantum hesaplama gerçekleştirdiğini iddia etti, ancak bu iddianın geçerli olup olmadığı hala bir konudur. aktif araştırma
Kuantum devre modeli, kuantum Turing makinesi, adyabatik kuantum bilgisayar, tek yönlü kuantum bilgisayar ve çeşitli kuantum hücresel otomatlar dahil olmak üzere çeşitli kuantum bilgisayar türleri (kuantum hesaplama sistemleri olarak da bilinir) vardır. En yaygın olarak kullanılan model, kuantum bitine veya klasik hesaplamadaki bit'e biraz benzeyen "qubit"e dayanan kuantum devresidir. Bir kübit, 1 veya 0 kuantum durumunda veya 1 ve 0 durumlarının süperpozisyonunda olabilir. Ancak ölçüldüğünde her zaman 0 veya 1'dir; herhangi bir sonucun olasılığı, ölçümden hemen önceki kübitin kuantum durumuna bağlıdır.
Fiziksel bir kuantum bilgisayar oluşturmaya yönelik çabalar, yüksek kaliteli kübitler yaratmayı amaçlayan transmonlar, iyon tuzakları ve topolojik kuantum bilgisayarlar gibi teknolojilere odaklanır.: 2–13 Bu kübitler, tam kuantum bilgisayarın hesaplama modeline bağlı olarak farklı şekilde tasarlanabilir, kuantum mantık kapıları, kuantum tavlama veya adyabatik kuantum hesaplama olsun. Şu anda kullanışlı kuantum bilgisayarları inşa etmenin önünde bir dizi önemli engel var. Kubitlerin kuantum durumlarını korumak, kuantum uyumsuzluğundan ve durum doğruluğundan muzdarip oldukları için özellikle zordur. Kuantum bilgisayarlar bu nedenle hata düzeltme gerektirir.
Klasik bir bilgisayar tarafından çözülebilen herhangi bir hesaplama problemi, bir kuantum bilgisayar tarafından da çözülebilir. Tersine, bir kuantum bilgisayar tarafından çözülebilen herhangi bir problem, en azından prensipte yeterli zaman verildiğinde, klasik bir bilgisayar tarafından da çözülebilir. Başka bir deyişle, kuantum bilgisayarlar Church-Turing tezine uyar. Bu, kuantum bilgisayarların hesaplanabilirlik açısından klasik bilgisayarlara göre hiçbir ek avantaj sağlamamasına rağmen, belirli problemler için kuantum algoritmalarının, karşılık gelen bilinen klasik algoritmalardan önemli ölçüde daha düşük zaman karmaşıklığına sahip olduğu anlamına gelir. Kuantum bilgisayarların, hiçbir klasik bilgisayarın makul bir sürede çözemeyeceği belirli sorunları hızlı bir şekilde çözebileceğine inanılıyor; bu, “kuantum üstünlüğü” olarak bilinen bir başarıdır. Kuantum bilgisayarlarla ilgili problemlerin hesaplama karmaşıklığının incelenmesi, kuantum karmaşıklık teorisi olarak bilinir.
Kuantum hesaplamanın geçerli modeli, hesaplamayı bir kuantum mantık kapıları ağı cinsinden tanımlar. Bu model, klasik bir devrenin soyut bir lineer cebirsel genellemesi olarak düşünülebilir. Bu devre modeli kuantum mekaniğine uyduğundan, bu devreleri verimli bir şekilde çalıştırabilen bir kuantum bilgisayarın fiziksel olarak gerçekleştirilebilir olduğuna inanılır.
n bit bilgiden oluşan bir belleğin 2^n olası durumu vardır. Böylece tüm bellek durumlarını temsil eden bir vektör 2^n girişe sahiptir (her durum için bir tane). Bu vektör bir olasılık vektörü olarak görülür ve hafızanın belirli bir durumda bulunacağı gerçeğini temsil eder.
Klasik görüşte, bir girdinin değeri 1 olacaktır (yani, bu durumda olma olasılığı %100) ve diğer tüm girdiler sıfır olacaktır.
Kuantum mekaniğinde, olasılık vektörleri yoğunluk operatörlerine genelleştirilebilir. Kuantum durum vektörü formalizmi, kavramsal olarak daha basit olduğu ve tüm kuantum sisteminin bilindiği saf durumlar için yoğunluk matrisi formalizmi yerine kullanılabileceği için genellikle ilk olarak tanıtılır.
bir kuantum hesaplama, kuantum mantık kapıları ve ölçümlerinden oluşan bir ağ olarak tanımlanabilir. Bununla birlikte, herhangi bir ölçüm, kuantum hesaplamanın sonuna ertelenebilir, ancak bu ertelemenin bir hesaplama maliyeti olabilir, bu nedenle çoğu kuantum devresi, yalnızca kuantum mantık kapılarından oluşan ve ölçüm içermeyen bir ağ gösterir.
Herhangi bir kuantum hesaplaması (yukarıdaki formalizmde, n kübit üzerindeki herhangi bir üniter matris), oldukça küçük bir kapı ailesinden bir kuantum mantık kapıları ağı olarak temsil edilebilir. Bu tür devreleri çalıştırabilen bir bilgisayar evrensel bir kuantum bilgisayar olduğundan, bu yapıyı mümkün kılan bir kapı ailesi seçimi evrensel kapı seti olarak bilinir. Bu tür yaygın bir küme, tüm tek kübit kapıların yanı sıra yukarıdan CNOT kapısını içerir. Bu, herhangi bir kuantum hesaplamasının, CNOT kapıları ile birlikte bir dizi tek-kübit kapı yürütülerek gerçekleştirilebileceği anlamına gelir. Bu kapı kümesi sonsuz olmasına rağmen, Solovay-Kitaev teoremine başvurarak sonlu bir kapı kümesi ile değiştirilebilir.
Kuantum algoritmaları
Kuantum algoritmalarını bulmadaki ilerleme tipik olarak bu kuantum devre modeline odaklanır, ancak kuantum adyabatik algoritma gibi istisnalar mevcuttur. Kuantum algoritmaları, karşılık gelen klasik algoritmalar üzerinde elde edilen hızlanma türüne göre kabaca kategorize edilebilir.
En iyi bilinen klasik algoritmaya göre bir polinom hızlandırmasından fazlasını sunan kuantum algoritmaları, Shor'un çarpanlara ayırma algoritmasını ve ayrık logaritmaların hesaplanması için ilgili kuantum algoritmalarını, Pell denklemini çözmeyi ve daha genel olarak değişmeyen sonlu gruplar için gizli alt grup problemini çözmeyi içerir. Bu algoritmalar, kuantum Fourier dönüşümünün ilkeline bağlıdır. Bu olası görülmese de, eşit derecede hızlı bir klasik algoritmanın keşfedilemeyeceğini gösteren hiçbir matematiksel kanıt bulunamadı. alt sınırların kanıtlanmasının çok daha kolay olduğu ve pratik problemler için hızlandırmalara dönüşmesi gerekmeyen sınırlı bir model olan kuantum sorgu modelindedir.
Kimya ve katı hal fiziğinden kuantum fiziksel süreçlerin simülasyonu, belirli Jones polinomlarının yaklaşımı ve lineer denklem sistemleri için kuantum algoritması dahil olmak üzere diğer problemler, süper polinom hızlanmaları veren kuantum algoritmalarına sahiptir ve BQP-tamamlıdır. Bu problemler BQP-tamamlanmış olduğundan, onlar için eşit derecede hızlı bir klasik algoritma, hiçbir kuantum algoritmasının olası olmadığına inanılan bir süper polinom hızlanma sağlamadığı anlamına gelir.
Grover'ın algoritması ve genlik amplifikasyonu gibi bazı kuantum algoritmaları, karşılık gelen klasik algoritmalara göre polinom hızlanmaları verir. Bu algoritmalar, nispeten mütevazı bir ikinci dereceden hızlanma sağlasalar da, yaygın olarak uygulanabilirler ve dolayısıyla çok çeşitli problemler için hızlanmalar sağlarlar. Brassard, Høyer ve Tapp'ın Grover'ın algoritmasını kullanan iki-bir işlevlerde çarpışmaları bulmaya yönelik algoritması ve NAND'ı değerlendirmek için Farhi, Goldstone ve Gutmann'ın algoritması dahil olmak üzere, sorgu sorunları için kanıtlanabilir kuantum hızlandırma örneklerinin çoğu Grover'ın algoritmasıyla ilgilidir. arama probleminin bir çeşidi olan ağaçlar.
Şifreleme uygulamaları
Kuantum hesaplamanın dikkate değer bir uygulaması, şu anda kullanımda olan kriptografik sistemlere yapılan saldırılar içindir. Açık anahtar şifreleme sistemlerinin güvenliğini destekleyen tamsayı çarpanlarına ayırmanın, birkaç asal sayının (örneğin, iki 300 basamaklı asal sayının ürünleri) ürünü olmaları durumunda, büyük tamsayılar için sıradan bir bilgisayarla hesaplama açısından mümkün olmadığına inanılmaktadır. Karşılaştırıldığında, bir kuantum bilgisayar, faktörlerini bulmak için Shor'un algoritmasını kullanarak bu sorunu verimli bir şekilde çözebilir. Bu yetenek, bir kuantum bilgisayarın, sorunu çözmek için bir polinom zaman (tamsayının basamak sayısı olarak) algoritması olması anlamında, bugün kullanılan kriptografik sistemlerin çoğunu kırmasına izin verecektir. Özellikle, popüler açık anahtar şifrelerinin çoğu, her ikisi de Shor'un algoritması ile çözülebilen tam sayıları veya ayrık logaritma problemini çarpanlarına ayırmanın zorluğuna dayanmaktadır. Özellikle, RSA, Diffie–Hellman ve eliptik eğri Diffie–Hellman algoritmaları bozulabilir. Bunlar, güvenli Web sayfalarını, şifreli e-postayı ve diğer birçok veri türünü korumak için kullanılır. Bunları kırmanın elektronik mahremiyet ve güvenlik için önemli sonuçları olacaktır.
Kuantum algoritmalarına karşı güvenli olabilecek kriptografik sistemlerin belirlenmesi, kuantum sonrası kriptografi alanında aktif olarak araştırılan bir konudur. Bazı açık anahtar algoritmaları, kodlama teorisindeki bir probleme dayanan McEliece şifreleme sistemi gibi, Shor'un algoritmasının uyguladığı tamsayı çarpanlarına ayırma ve ayrık logaritma problemlerinden başka problemlere dayanır. Kafes tabanlı şifreleme sistemlerinin de kuantum bilgisayarlar tarafından kırıldığı bilinmemektedir ve birçok kafes tabanlı şifreleme sistemini kıracak olan dihedral gizli alt grup problemini çözmek için bir polinom zaman algoritması bulmak, iyi çalışılmış bir açık problemdir. Bir simetrik (gizli anahtar) algoritmayı kaba kuvvetle kırmak için Grover algoritmasının uygulanmasının, klasik durumda kabaca 2n ile karşılaştırıldığında, temel kriptografik algoritmanın kabaca 2n/2 çağrılarına eşit bir süre gerektirdiği kanıtlanmıştır, yani simetrik anahtar uzunlukları etkili bir şekilde yarıya indirildi: AES-256, Grover'ın algoritmasını kullanan bir saldırıya karşı, AES-128'in klasik kaba kuvvet aramasına karşı sahip olduğu aynı güvenliğe sahip olacaktır (bkz. Anahtar boyutu).
Kuantum kriptografisi, açık anahtar kriptografisinin bazı işlevlerini potansiyel olarak yerine getirebilir. Kuantum tabanlı kriptografik sistemler bu nedenle kuantum korsanlığına karşı geleneksel sistemlerden daha güvenli olabilir.
Arama sorunları
Bir polinom kuantum hızlandırmasını kabul eden bir problemin en iyi bilinen örneği, bir veritabanındaki n öğe listesinden işaretli bir öğeyi bulan yapılandırılmamış aramadır. Bu, klasik algoritmalar için gereken Omega(n) sorgularından ikinci dereceden daha az olan veritabanına O(sqrt(n)) sorguları kullanılarak Grover'ın algoritması ile çözülebilir. Bu durumda, avantaj sadece kanıtlanabilir değil, aynı zamanda optimaldir: Grover'ın algoritmasının, herhangi bir sayıda kehanet araması için istenen öğeyi bulmak için mümkün olan en yüksek olası olasılığı verdiği gösterilmiştir.
Grover'ın algoritması ile çözülebilecek problemler aşağıdaki özelliklere sahiptir:
- Olası cevapların koleksiyonunda aranabilir bir yapı yoktur,
- Kontrol edilecek olası cevapların sayısı, algoritmaya yapılan girdilerin sayısı ile aynıdır ve
- Her girişi değerlendiren ve doğru cevap olup olmadığını belirleyen bir boole işlevi vardır.
Tüm bu özelliklerle ilgili problemler için, Grover algoritmasının bir kuantum bilgisayardaki çalışma süresi, klasik algoritmaların doğrusal ölçeklendirmesinin aksine, girdilerin (veya veritabanındaki öğelerin) sayısının karekökü olarak ölçeklenir. Grover'ın algoritmasının uygulanabileceği genel bir problem sınıfı, algoritmanın yinelendiği veritabanının tüm olası cevapların olduğu Boolean tatmin edilebilirlik problemidir. Bunun bir örneği ve (olası) uygulaması, bir parolayı tahmin etmeye çalışan bir parola kırıcıdır. Triple DES ve AES gibi simetrik şifreler bu tür saldırılara karşı özellikle savunmasızdır.[kaynak belirtilmeli] Kuantum hesaplamanın bu uygulaması, devlet kurumlarının büyük bir ilgi alanıdır.
Kuantum sistemlerinin simülasyonu
Kimya ve nanoteknoloji, kuantum sistemlerini anlamaya dayandığından ve bu tür sistemlerin klasik olarak verimli bir şekilde simüle edilmesi imkansız olduğundan, birçok kişi kuantum simülasyonunun kuantum hesaplamanın en önemli uygulamalarından biri olacağına inanıyor. Kuantum simülasyonu, bir çarpıştırıcı içindeki reaksiyonlar gibi olağandışı koşullarda atomların ve parçacıkların davranışını simüle etmek için de kullanılabilir. Çift yarık deneyinde süperpozisyon altında parçacıkların ve protonların gelecekteki yollarını tahmin etmek için kuantum simülasyonları kullanılabilir. gübre endüstrisi, doğal olarak oluşan organizmalar da amonyak üretir. Üretimi artıran bu süreci anlamak için kuantum simülasyonları kullanılabilir.
Kuantum tavlama ve adyabatik optimizasyon
Kuantum tavlama veya Adyabatik kuantum hesaplama, hesaplamaları yapmak için adyabatik teoreme dayanır. Basit bir Hamiltoniyen için temel duruma bir sistem yerleştirilir ve bu sistem, temel durumu söz konusu problemin çözümünü temsil eden daha karmaşık bir Hamiltoniyene yavaş yavaş evrilir. Adyabatik teorem, evrim yeterince yavaşsa sistemin süreç boyunca her zaman temel durumunda kalacağını belirtir.
Makine öğrenme
Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların verimli bir şekilde üretemeyeceği çıktılar üretebildiğinden ve kuantum hesaplama temelde doğrusal cebirsel olduğundan, bazıları makine öğrenme görevlerini hızlandırabilecek kuantum algoritmaları geliştirme konusunda umutlarını ifade ediyor. Örneğin, lineer denklem sistemleri için kuantum algoritmasının veya adını keşfedenleri Harrow, Hassidim ve Lloyd'dan alan “HHL Algoritmasının” klasik muadillerine göre hızlanma sağladığına inanılıyor. Bazı araştırma grupları yakın zamanda Boltzmann makinelerini ve derin sinir ağlarını eğitmek için kuantum tavlama donanımının kullanımını araştırdı.
Hesaplamalı biyoloji
Hesaplamalı biyoloji alanında, kuantum hesaplama birçok biyolojik problemin çözümünde büyük rol oynamıştır. İyi bilinen örneklerden biri, hesaplamalı genomik ve hesaplamanın bir insan genomunu dizileme süresini nasıl büyük ölçüde azalttığıdır. Hesaplamalı biyolojinin genel veri modelleme ve depolamayı nasıl kullandığı göz önüne alındığında, hesaplamalı biyolojiye uygulamalarının da ortaya çıkması bekleniyor.
Bilgisayar destekli ilaç tasarımı ve üretici kimya
Derin üretici kimya modelleri, ilaç keşfini hızlandırmak için güçlü araçlar olarak ortaya çıkıyor. Bununla birlikte, olası tüm ilaç benzeri moleküllerin yapısal uzayının muazzam boyutu ve karmaşıklığı, gelecekte kuantum bilgisayarların üstesinden gelebilecek önemli engeller oluşturmaktadır. Kuantum bilgisayarlar, karmaşık kuantum çok cisim problemlerini çözmek için doğal olarak iyidir ve bu nedenle kuantum kimyasını içeren uygulamalarda araçsal olabilir. Bu nedenle, kuantum GAN'ları içeren kuantum ile geliştirilmiş üretici modellerin sonunda nihai üretici kimya algoritmalarına dönüştürülebileceği beklenebilir. Kuantum bilgisayarları, Kuantum Değişken Otomatik Kodlayıcılar gibi derin klasik ağlarla birleştiren hibrit mimariler, halihazırda piyasada bulunan tavlayıcılar üzerinde eğitilebilir ve yeni ilaca benzer moleküler yapılar oluşturmak için kullanılabilir.
Fiziksel kuantum bilgisayarları geliştirmek
Zorluklar
Büyük ölçekli bir kuantum bilgisayar inşa etmenin bir takım teknik zorlukları vardır. Fizikçi David DiVincenzo, pratik bir kuantum bilgisayar için şu gereksinimleri sıraladı:
- Kübit sayısını artırmak için fiziksel olarak ölçeklenebilir,
- İsteğe bağlı değerlere başlatılabilen kübitler,
- Eşevresizlik zamanından daha hızlı olan kuantum kapıları,
- Evrensel kapı seti,
- Kolayca okunabilen kübitler.
Kuantum bilgisayarlar için parça tedarik etmek de çok zordur. Google ve IBM tarafından yapılanlar gibi birçok kuantum bilgisayar, nükleer araştırma yan ürünü olan helyum-3'e ve yalnızca Japon şirketi Coax Co. tarafından üretilen özel süper iletken kablolara ihtiyaç duyar.
Çoklu kübitli sistemlerin kontrolü, sıkı ve deterministik zamanlama çözünürlüğü ile çok sayıda elektrik sinyalinin üretilmesini ve koordinasyonunu gerektirir. Bu, kübitlerle arayüz oluşturmayı sağlayan kuantum kontrolörlerinin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu sistemleri giderek artan sayıda kübiti destekleyecek şekilde ölçeklendirmek ek bir zorluktur.
Kuantum ayrışma
Kuantum bilgisayarları inşa etmenin en büyük zorluklarından biri, kuantum uyumsuzluğunu kontrol etmek veya ortadan kaldırmaktır. Bu genellikle, dış dünya ile etkileşimler sistemin uyumsuz olmasına neden olduğu için sistemi çevresinden izole etmek anlamına gelir. Bununla birlikte, başka uyumsuzluk kaynakları da mevcuttur. Örnekler arasında kuantum kapıları, kafes titreşimleri ve kübitleri uygulamak için kullanılan fiziksel sistemin arka plan termonükleer dönüşü sayılabilir. Eşevresizlik, etkili bir şekilde üniter olmadığı için geri döndürülemez ve genellikle kaçınılmadığı takdirde yüksek düzeyde kontrol edilmesi gereken bir şeydir. Özellikle aday sistemler için uyumsuzluk süreleri, enine gevşeme süresi T2 (NMR ve MRI teknolojisi için, ayrıca faz giderme süresi olarak da adlandırılır), düşük sıcaklıkta tipik olarak nanosaniye ile saniye arasında değişir. Şu anda, bazı kuantum bilgisayarları, önemli bir uyumsuzluğu önlemek için kübitlerinin 20 millikelvin'e (genellikle bir seyreltme buzdolabı kullanarak) soğutulmasını gerektirir. 2020'de yapılan bir araştırma, kozmik ışınlar gibi iyonlaştırıcı radyasyonun yine de bazı sistemlerin milisaniyeler içinde koherinin çözülmesine neden olabileceğini savunuyor.
Sonuç olarak, zaman alıcı görevler, bazı kuantum algoritmalarını çalışmaz hale getirebilir, çünkü kübitlerin durumunu yeterince uzun bir süre korumak, sonunda süperpozisyonları bozacaktır.
Bu sorunlar optik yaklaşımlar için daha zordur çünkü zaman çizelgeleri daha kısadır ve bunların üstesinden gelmek için sıklıkla bahsedilen bir yaklaşım optik darbe şekillendirmedir. Hata oranları tipik olarak çalışma süresinin eşevresizlik süresine oranıyla orantılıdır, bu nedenle herhangi bir işlem eşevresizlik süresinden çok daha hızlı tamamlanmalıdır.
Kuantum eşik teoreminde açıklandığı gibi, hata oranı yeterince küçükse, hataları ve uyumsuzluğu bastırmak için kuantum hata düzeltmesinin kullanılmasının mümkün olduğu düşünülmektedir. Bu, eğer hata düzeltme şeması hataları, uyumsuzluğun ortaya çıkardığından daha hızlı düzeltebiliyorsa, toplam hesaplama süresinin, uyumsuzluk zamanından daha uzun olmasına izin verir. Gürültünün depolarize olduğu varsayılırsa, hataya dayanıklı hesaplama için her geçitte gerekli hata oranı için sıklıkla belirtilen bir rakam 10−3'tür.
Bu ölçeklenebilirlik koşulunun karşılanması çok çeşitli sistemler için mümkündür. Bununla birlikte, hata düzeltmenin kullanılması, büyük ölçüde artan sayıda gerekli kübit maliyetini beraberinde getirir. Shor'un algoritmasını kullanarak tam sayıları çarpanlara ayırmak için gereken sayı hala polinomdur ve L ile L2 arasında olduğu düşünülür; burada L, çarpanlara ayrılacak sayıdaki basamak sayısıdır; hata düzeltme algoritmaları bu rakamı ek bir L faktörü ile şişirir. 1000 bitlik bir sayı için bu, hata düzeltmesi olmadan yaklaşık 104 bit'e ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Hata düzeltme ile, rakam yaklaşık 107 bite yükselecektir. Hesaplama süresi yaklaşık L2 veya yaklaşık 107 adım ve 1 MHz'de yaklaşık 10 saniyedir.
Kararlılık-decoherence problemine çok farklı bir yaklaşım, kararlı mantık kapıları oluşturmak için iş parçacığı olarak kullanılan ve örgü teorisine dayanan anyonlar, yarı parçacıklar ile topolojik bir kuantum bilgisayar oluşturmaktır.
Kuantum üstünlüğü
Kuantum üstünlüğü, John Preskill tarafından programlanabilir bir kuantum cihazının son teknoloji klasik bilgisayarların yeteneklerinin ötesinde bir sorunu çözebileceğini göstermenin mühendislik başarısına atıfta bulunan bir terimdir. Sorunun faydalı olması gerekmiyor, bu nedenle bazıları kuantum üstünlüğü testini yalnızca gelecekteki potansiyel bir kıyaslama olarak görüyor.
Ekim 2019'da Google AI Quantum, NASA'nın yardımıyla, Sycamore kuantum bilgisayarında, genellikle dünyanın en hızlısı olarak kabul edilen Summit'te yapılabileceklerden 3,000,000 kat daha hızlı hesaplamalar yaparak kuantum üstünlüğüne ulaştığını iddia eden ilk kişi oldu. bilgisayar. Bu iddia daha sonra sorgulandı: IBM, Summit'in örnekleri iddia edilenden çok daha hızlı gerçekleştirebileceğini belirtti ve o zamandan beri araştırmacılar, kuantum üstünlüğünü iddia etmek için kullanılan örnekleme problemi için daha iyi algoritmalar geliştirerek, Sycamore ile arasındaki boşluğu önemli ölçüde azalttı veya kapattı. klasik süper bilgisayarlar
Aralık 2020'de USTC'deki bir grup, kuantum üstünlüğünü göstermek için fotonik kuantum bilgisayar Jiuzhang ile 76 foton üzerinde bir tür Bozon örneklemesi uyguladı. Yazarlar, klasik bir çağdaş süper bilgisayarın, kuantum işlemcilerinin 600 saniyede üretebileceği örnek sayısını üretmek için 20 milyon yıllık bir hesaplama süresi gerektireceğini iddia ediyor. 16 Kasım 2021'de kuantum bilişim zirvesinde IBM, IBM Eagle adlı 127-qubitlik bir mikroişlemci sundu.
Fiziksel uygulamalar
Bir kuantum bilgisayarı fiziksel olarak uygulamak için, aralarında (kübitleri gerçekleştirmek için kullanılan fiziksel sistem tarafından ayırt edilen) birçok farklı aday aranmaktadır:
- Süperiletken kuantum hesaplama (küçük süperiletken devrelerin durumu tarafından uygulanan kübit, Josephson eklemleri)
- Kapana kısılmış iyon kuantum bilgisayarı (kısılmış iyonların iç durumu tarafından uygulanan kübit)
- Optik kafeslerdeki nötr atomlar (bir optik kafese hapsolmuş nötr atomların iç durumları tarafından uygulanan kübit)
- Kuantum nokta bilgisayar, dönüş tabanlı (örneğin, Loss-DiVincenzo kuantum bilgisayarı) (tutulmuş elektronların dönüş durumları tarafından verilen kübit)
- Kuantum nokta bilgisayar, uzamsal tabanlı (çift kuantum noktasında elektron pozisyonu tarafından verilen kübit)
- Prensipte oda sıcaklığında çalışan kuantum bilgisayarların yapımını mümkün kılan, tasarlanmış kuantum kuyularını kullanan kuantum hesaplama
- Birleştirilmiş kuantum teli (bir kuantum nokta temasıyla birleştirilmiş bir çift kuantum teli tarafından uygulanan kübit)
- Çözeltideki moleküllerin nükleer manyetik rezonansı ile uygulanan nükleer manyetik rezonans kuantum bilgisayarı (NMRQC), kübitlerin çözünmüş molekül içindeki nükleer dönüşler tarafından sağlandığı ve radyo dalgaları ile incelendiği
- Katı hal NMR Kane kuantum bilgisayarları (silikondaki fosfor donörlerinin nükleer spin durumu tarafından gerçekleştirilen kübit)
- Helyum üzerinde elektronlar kuantum bilgisayarlar (qubit elektron dönüşüdür)
- Boşluk kuantum elektrodinamiği (CQED) (yüksek incelikli boşluklarla birleştirilmiş hapsolmuş atomların iç durumu tarafından sağlanan kübit)
- Moleküler mıknatıs (dönme durumları tarafından verilen kübit)
- Fulleren tabanlı ESR kuantum bilgisayarı (fulerenlerle kaplı atomların veya moleküllerin elektronik dönüşüne dayalı kübit)
- Doğrusal olmayan optik kuantum bilgisayar (hem doğrusal hem de doğrusal olmayan elemanlar aracılığıyla farklı ışık modlarının durumlarını işleyerek gerçekleştirilen kübitler)
- Doğrusal optik kuantum bilgisayar (aynalar, ışın ayırıcılar ve faz kaydırıcılar gibi doğrusal elemanlar aracılığıyla farklı ışık modlarının durumlarını işleyerek gerçekleştirilen kübitler)
- Elmas tabanlı kuantum bilgisayar (elmastaki nitrojen boşluk merkezlerinin elektronik veya nükleer dönüşüyle gerçekleştirilen kübit)
- Bose-Einstein kondensat tabanlı kuantum bilgisayar
- Transistör tabanlı kuantum bilgisayar - bir elektrostatik tuzak kullanarak pozitif deliklerin sürüklenmesine sahip dizi kuantum bilgisayarları
- Nadir toprak metal iyon katkılı inorganik kristal tabanlı kuantum bilgisayarlar (optik fiberlerdeki dopantların dahili elektronik durumu tarafından gerçekleştirilen kübit)
- Metalik benzeri karbon nanoküre tabanlı kuantum bilgisayarlar
- Çok sayıda aday, hızlı ilerlemeye rağmen kuantum hesaplamanın hala emekleme aşamasında olduğunu gösteriyor.
Hesaplamanın ayrıştırıldığı temel unsurlarla ayırt edilen bir dizi kuantum hesaplama modeli vardır. Pratik uygulamalar için, ilgili dört hesaplama modeli şunlardır:
- Kuantum kapısı dizisi (birkaç kübitlik kuantum kapısı dizisine ayrıştırılmış hesaplama)
- Tek yönlü kuantum bilgisayar (yüksek oranda karışık bir başlangıç durumuna veya küme durumuna uygulanan bir kübitlik ölçüm dizisine ayrıştırılmış hesaplama)
- Kuantum tavlamaya dayalı adyabatik kuantum bilgisayar (bir başlangıç Hamiltoniyeninin, temel durumları çözümü içeren bir son Hamiltoniyene yavaş sürekli dönüşümüne ayrıştırılan hesaplama)
- Topolojik kuantum bilgisayar (2D kafes içinde anyonların örgüsüne ayrıştırılmış hesaplama)
Kuantum Turing makinesi teorik olarak önemlidir ancak bu modelin fiziksel uygulaması mümkün değildir. Dört hesaplama modelinin hepsinin eşdeğer olduğu gösterilmiştir; her biri diğerini polinom ek yükünden daha fazlası olmadan simüle edebilir.
Kendinizi sertifika müfredatı hakkında ayrıntılı olarak tanımak için aşağıdaki tabloyu genişletebilir ve analiz edebilirsiniz.
EITC/QI/QIF Kuantum Bilgisinin Temelleri Sertifikasyon Müfredatı, açık erişimli didaktik materyalleri bir video biçiminde referans alır. Öğrenme süreci, ilgili müfredat bölümlerini kapsayan adım adım bir yapıya (programlar -> dersler -> konular) bölünmüştür. Alan uzmanları ile sınırsız danışmanlık da sağlanmaktadır.
Sertifikasyon prosedürü kontrolü ile ilgili ayrıntılar için Nasıl Çalışır?.
Ana ders notları
U. Vezirani ders notları:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
Destekleyici ders notları
L. Jacak ve ark. ders notları (ek materyallerle birlikte):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
Ana destekleyici ders kitabı
Kuantum Hesaplama ve Kuantum Bilgi ders kitabı (Nielsen, Chuang):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
Ek ders notları
J. Preskill ders notları:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
A. Childs'ın ders notları:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
S. Aaronson ders notları:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
R. de Wolf ders notları:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
Önerilen diğer ders kitapları
Klasik ve Kuantum Hesaplama (Kitaev, Shen, Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
Demokritus'tan Beri Kuantum Hesaplama (Aaronson)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
Kuantum Bilgi Teorisi (Watrous)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
Kuantum Bilgi Teorisi (Wilde)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals programına yönelik çevrimdışı kendi kendine öğrenme hazırlık malzemelerinin tamamını PDF dosyası olarak indirin
EITC/QI/QIF hazırlık malzemeleri – standart versiyon
EITC/QI/QIF hazırlık malzemeleri – inceleme sorularını içeren genişletilmiş versiyon