أساسيات المعلومات الكمية EITC/QI/QIF هي برنامج شهادة تكنولوجيا المعلومات الأوروبية في الجوانب النظرية والعملية للمعلومات الكمومية والحساب الكمي ، بناءً على قوانين فيزياء الكم بدلاً من الفيزياء الكلاسيكية وتقدم مزايا نوعية على نظيراتها الكلاسيكية.
يغطي منهج أساسيات المعلومات الكمية EITC/QI/QIF مقدمة لميكانيكا الكم (بما في ذلك النظر في تجربة الشق المزدوج وتداخل موجة المادة) ، ومقدمة لمعلومات الكم (الكيوبتات وتمثيلها الهندسي) ، واستقطاب الضوء ، ومبدأ عدم اليقين ، والكم. التشابك ، ومفارقة EPR ، وانتهاك عدم المساواة في بيل ، والتخلي عن الواقعية المحلية ، ومعالجة المعلومات الكمومية (بما في ذلك التحويل الأحادي ، والبوابات أحادية الكيوبت وبوابتان كيوبت) ، ونظرية عدم الاستنساخ ، والانتقال الآني الكمي ، والقياس الكمي ، والحساب الكمي (بما في ذلك مقدمة إلى متعدد - أنظمة qubit ، عائلة البوابات العالمية ، إمكانية عكس الحساب) ، خوارزميات الكم (بما في ذلك تحويل فورييه الكمومي ، خوارزمية سيمون ، أطروحة تشوره-تورينج الممتدة ، خوارزمية شروق العوملة الكمومية ، خوارزمية البحث الكمي لغروفر) ، الملاحظات الكمومية ، معادلة شرودينجر ، تطبيقات الكيوبت ، نظرية التعقيد الكمومي ، الحاسبات الكمومية الثابتة أيون ، BQP ، مقدمة عن الدوران ، ضمن الهيكل التالي ، يشمل محتوى تعليميًا شاملاً بالفيديو كمرجع لشهادة EITC هذه.
المعلومات الكمومية هي معلومات حالة النظام الكمومي. إنها الكيان الأساسي للدراسة في نظرية المعلومات الكمية ، ويمكن معالجتها باستخدام تقنيات معالجة المعلومات الكمية. تشير المعلومات الكمية إلى كل من التعريف الفني من حيث إنتروبيا فون نيومان والمصطلح الحسابي العام.
تعد المعلومات والحسابات الكمومية مجالًا متعدد التخصصات يتضمن ميكانيكا الكم وعلوم الكمبيوتر ونظرية المعلومات والفلسفة والتشفير من بين مجالات أخرى. دراستها ذات صلة أيضًا بتخصصات مثل العلوم المعرفية وعلم النفس وعلم الأعصاب. ينصب تركيزها الرئيسي على استخراج المعلومات من المادة على نطاق مجهري. الملاحظة في العلم هي نقد أساسي مميز للواقع وأحد أهم طرق الحصول على المعلومات. ومن ثم فإن القياس مطلوب من أجل تحديد الملاحظة ، مما يجعلها حاسمة بالنسبة للطريقة العلمية. في ميكانيكا الكم ، نظرًا لمبدأ عدم اليقين ، لا يمكن قياس المراقبات غير المتنقلة بدقة في وقت واحد ، لأن eigenstate في أحد الأسس ليست حالة eigenstate في الأساس الآخر. نظرًا لأن كلا المتغيرين لم يتم تعريفهما جيدًا في وقت واحد ، لا يمكن أبدًا أن تحتوي الحالة الكمية على معلومات محددة حول كلا المتغيرين. نظرًا لهذه الخاصية الأساسية للقياس في ميكانيكا الكم ، يمكن وصف هذه النظرية عمومًا بأنها غير حتمية على عكس الميكانيكا الكلاسيكية ، والتي تعتبر حتمية تمامًا. تميز اللاحتمية للحالات الكمية المعلومات التي تُعرَّف على أنها حالات للأنظمة الكمومية. من الناحية الرياضية ، تكون هذه الحالات في تراكب (مجموعات خطية) لحالات الأنظمة الكلاسيكية.
نظرًا لأن المعلومات يتم تشفيرها دائمًا في حالة النظام المادي ، فهي مادية في حد ذاتها. بينما تتعامل ميكانيكا الكم مع فحص خصائص المادة على المستوى المجهري ، يركز علم المعلومات الكمومية على استخراج المعلومات من تلك الخصائص ، والحساب الكمي يعالج ويعالج المعلومات الكمية - يؤدي العمليات المنطقية - باستخدام تقنيات معالجة المعلومات الكمية.
يمكن معالجة المعلومات الكمية ، مثل المعلومات الكلاسيكية ، باستخدام أجهزة الكمبيوتر ، ونقلها من موقع إلى آخر ، والتلاعب بها باستخدام الخوارزميات ، وتحليلها باستخدام علوم الكمبيوتر والرياضيات. تمامًا مثل الوحدة الأساسية للمعلومات الكلاسيكية هي البتة ، فإن المعلومات الكمية تتعامل مع الكيوبتات ، والتي يمكن أن توجد في تراكب 0 و 1 (تكون في الوقت نفسه صحيحة وخاطئة إلى حد ما). يمكن أن توجد المعلومات الكمية أيضًا في ما يسمى بالحالات المتشابكة ، والتي تظهر ارتباطات غير محلية غير كلاسيكية بحتة في قياساتها ، مما يتيح تطبيقات مثل النقل الآني الكمي. يمكن قياس مستوى التشابك باستخدام إنتروبيا فون نيومان ، وهو أيضًا مقياس للمعلومات الكمية. في الآونة الأخيرة ، أصبح مجال الحوسبة الكمومية مجالًا بحثيًا نشطًا للغاية بسبب إمكانية تعطيل العمليات الحسابية والتواصل والتشفير الحديثة.
بدأ تاريخ المعلومات الكمومية في مطلع القرن العشرين عندما أحدثت الفيزياء الكلاسيكية ثورة في فيزياء الكم. كانت نظريات الفيزياء الكلاسيكية تتنبأ بعبثية مثل كارثة الأشعة فوق البنفسجية ، أو تصاعد الإلكترونات إلى النواة. في البداية تم إهمال هذه المشاكل عن طريق إضافة فرضية مخصصة للفيزياء الكلاسيكية. سرعان ما أصبح من الواضح أنه يجب إنشاء نظرية جديدة من أجل فهم هذه السخافات ، وولدت نظرية ميكانيكا الكم.
صاغ شرودنجر ميكانيكا الكم باستخدام ميكانيكا الموجات وهايزنبرغ باستخدام ميكانيكا المصفوفة. تم إثبات تكافؤ هذه الطرق لاحقًا. وصفت صياغاتهم ديناميكيات الأنظمة المجهرية ولكن كان لها العديد من الجوانب غير المرضية في وصف عمليات القياس. صاغ فون نيومان نظرية الكم باستخدام الجبر المشغل بطريقة وصفت القياس وكذلك الديناميكيات. أكدت هذه الدراسات على الجوانب الفلسفية للقياس بدلاً من النهج الكمي لاستخراج المعلومات عبر القياسات.
في الستينيات ، اقترح ستراتونوفيتش وهيلستروم وجوردون صياغة الاتصالات الضوئية باستخدام ميكانيكا الكم. كان هذا أول ظهور تاريخي لنظرية المعلومات الكمومية. درسوا بشكل رئيسي احتمالات الخطأ وقدرات القناة للاتصال. في وقت لاحق ، حصل Holevo على حد أعلى لسرعة الاتصال في إرسال رسالة كلاسيكية عبر قناة كمومية.
في سبعينيات القرن الماضي ، بدأ تطوير تقنيات لمعالجة الحالات الكمومية أحادية الذرة ، مثل مصيدة الذرة ومجهر المسح النفقي ، مما يجعل من الممكن عزل الذرات المفردة وترتيبها في مصفوفات. قبل هذه التطورات ، لم يكن من الممكن التحكم الدقيق في الأنظمة الكمية المفردة ، واستخدمت التجارب تحكمًا متزامنًا وخشنًا على عدد كبير من الأنظمة الكمومية. أدى تطوير تقنيات معالجة الحالة الواحدة القابلة للحياة إلى زيادة الاهتمام بمجال المعلومات والحسابات الكمومية.
في الثمانينيات ، ظهر الاهتمام فيما إذا كان من الممكن استخدام التأثيرات الكمية لدحض نظرية النسبية لأينشتاين. إذا كان من الممكن استنساخ حالة كمومية غير معروفة ، فسيكون من الممكن استخدام حالات كمومية متشابكة لنقل المعلومات بشكل أسرع من سرعة الضوء ، مما يدحض نظرية أينشتاين. ومع ذلك ، أظهرت نظرية عدم الاستنساخ أن مثل هذا الاستنساخ مستحيل. كانت النظرية واحدة من أولى نتائج نظرية المعلومات الكمومية.
التطوير من التشفير
على الرغم من كل الإثارة والاهتمام بدراسة الأنظمة الكمومية المعزولة ومحاولة إيجاد طريقة للتحايل على نظرية النسبية ، فإن البحث في نظرية المعلومات الكمومية أصبح راكدًا في الثمانينيات. ومع ذلك ، في نفس الوقت تقريبًا ، بدأ طريق آخر ينغمس في المعلومات والحسابات الكمومية: التشفير. بشكل عام ، التشفير هو مشكلة إجراء اتصال أو حساب يشارك فيها طرفان أو أكثر قد لا يثق أحدهما في الآخر.
طور بينيت وبراسارد قناة اتصال يستحيل التنصت عليها دون أن يتم اكتشافها ، وهي طريقة للتواصل سرًا على مسافات طويلة باستخدام بروتوكول التشفير الكمي BB84. كانت الفكرة الرئيسية هي استخدام المبدأ الأساسي لميكانيكا الكم بأن الملاحظة تزعج الملاحظة ، وإدخال متنصت في خط اتصال آمن سيسمح على الفور للطرفين اللذين يحاولان الاتصال بمعرفة وجود المتصنت.
التطوير من علوم الكمبيوتر والرياضيات
مع ظهور أفكار آلان تورينج الثورية لجهاز كمبيوتر قابل للبرمجة ، أو آلة تورينج ، أظهر أن أي حساب في العالم الحقيقي يمكن ترجمته إلى حساب مكافئ يتضمن آلة تورينج. يُعرف هذا بأطروحة الكنيسة تورينج.
بعد فترة وجيزة ، تم تصنيع أجهزة الكمبيوتر الأولى ونمت أجهزة الكمبيوتر بوتيرة سريعة لدرجة أن النمو ، من خلال الخبرة في الإنتاج ، تم تدوينه في علاقة تجريبية تسمى قانون مور. هذا "القانون" هو اتجاه إسقاطي ينص على أن عدد الترانزستورات في الدائرة المتكاملة يتضاعف كل عامين. عندما بدأت الترانزستورات تصبح أصغر وأصغر من أجل تعبئة المزيد من الطاقة لكل مساحة سطح ، بدأت التأثيرات الكمومية في الظهور في الإلكترونيات مما أدى إلى تداخل غير مقصود. أدى ذلك إلى ظهور الحوسبة الكمومية ، والتي استخدمت ميكانيكا الكم لتصميم الخوارزميات.
في هذه المرحلة ، أظهرت أجهزة الكمبيوتر الكمومية أنها أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية في بعض المشكلات المحددة. تم تطوير أحد الأمثلة على هذه المشكلات بواسطة David Deutsch و Richard Jozsa ، المعروفين باسم خوارزمية Deutsch – Jozsa. ومع ذلك ، فإن هذه المشكلة لها تطبيقات عملية قليلة أو معدومة. جاء بيتر شور في عام 1994 بمشكلة مهمة جدًا وعملية ، تتمثل في إيجاد العوامل الأولية لعدد صحيح. يمكن حل مشكلة اللوغاريتمات المنفصلة كما تم تسميتها ، بكفاءة على جهاز كمبيوتر كمي ولكن ليس على جهاز كمبيوتر تقليدي ، ومن ثم تظهر أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية أقوى من آلات تورينج.
التطور من نظرية المعلومات
في الوقت الذي كان فيه علم الكمبيوتر يُحدث ثورة ، كذلك كانت نظرية المعلومات والاتصالات ، من خلال كلود شانون. طور شانون نظريتين أساسيتين لنظرية المعلومات: نظرية تشفير القناة الصامتة ونظرية تشفير القناة الصاخبة. كما أوضح أنه يمكن استخدام أكواد تصحيح الأخطاء لحماية المعلومات التي يتم إرسالها.
اتبعت نظرية المعلومات الكمومية أيضًا مسارًا مشابهًا ، حيث صنع بن شوماخر في عام 1995 نظيرًا لنظرية شانون في الترميز الصامت باستخدام الكيوبت. كما تم تطوير نظرية تصحيح الخطأ ، والتي تسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء عمليات حسابية فعالة بغض النظر عن الضوضاء ، وإجراء اتصالات موثوقة عبر القنوات الكمومية الصاخبة.
كيبيتس ونظرية المعلومات
تختلف المعلومات الكمية اختلافًا كبيرًا عن المعلومات الكلاسيكية ، التي تتلخص في البتات ، في العديد من الطرق اللافتة للنظر وغير المألوفة. في حين أن الوحدة الأساسية للمعلومات الكلاسيكية هي البت ، فإن الوحدة الأساسية للمعلومات الكمية هي الكيوبت. يتم قياس المعلومات الكلاسيكية باستخدام إنتروبيا شانون ، في حين أن التناظرية الميكانيكية الكمومية هي إنتروبيا فون نيومان. تتميز المجموعة الإحصائية لأنظمة ميكانيكا الكم بمصفوفة الكثافة. يمكن أيضًا تعميم العديد من مقاييس الانتروبيا في نظرية المعلومات الكلاسيكية على الحالة الكمومية ، مثل إنتروبيا هوليفو والإنتروبيا الكمومية الشرطية.
على عكس الحالات الرقمية الكلاسيكية (المنفصلة) ، فإن قيمة الكيوبت مستمرة ، ويمكن وصفها بالاتجاه على كرة بلوخ. على الرغم من تقييمها باستمرار بهذه الطريقة ، فإن البت الكمي هو أصغر وحدة ممكنة من المعلومات الكمية ، وعلى الرغم من أن حالة الكيوبت يتم تقييمها بشكل مستمر ، إلا أنه من المستحيل قياس القيمة بدقة. تصف خمس نظريات مشهورة حدود التلاعب بالمعلومات الكمومية:
- نظرية عدم النقل الآني ، والتي تنص على أنه لا يمكن تحويل الكيوبت (كليًا) إلى بتات كلاسيكية ؛ أي أنه لا يمكن "قراءته" بالكامل ،
- نظرية عدم الاستنساخ ، التي تمنع نسخ الكيوبت التعسفي ،
- نظرية عدم الحذف ، التي تمنع حذف الكيوبت التعسفي ،
- نظرية عدم البث ، والتي تمنع تسليم كيوبت عشوائي إلى عدة مستلمين ، على الرغم من أنه يمكن نقله من مكان إلى آخر (على سبيل المثال عن طريق النقل الآني الكمي) ،
- نظرية عدم الاختباء ، التي توضح حفظ المعلومات الكمومية ، تثبت هذه النظريات أن المعلومات الكمومية داخل الكون محفوظة وتفتح إمكانيات فريدة في معالجة المعلومات الكمومية.
معالجة المعلومات الكمومية
تحتوي حالة الكيوبت على كافة المعلومات الخاصة به. يتم التعبير عن هذه الحالة بشكل متكرر على أنها ناقل على كرة بلوخ. يمكن تغيير هذه الحالة عن طريق تطبيق تحويلات خطية أو بوابات كمومية عليها. توصف هذه التحولات الأحادية بالدوران على بلوخ Sphere. بينما تتوافق البوابات الكلاسيكية مع العمليات المألوفة للمنطق المنطقي ، فإن البوابات الكمومية هي عوامل فعلية وحدوية.
نظرًا لتقلب الأنظمة الكمومية واستحالة نسخ الحالات ، فإن تخزين المعلومات الكمومية أصعب بكثير من تخزين المعلومات الكلاسيكية. ومع ذلك ، باستخدام تصحيح الخطأ الكمي ، لا يزال من الممكن تخزين المعلومات الكمية بشكل موثوق من حيث المبدأ. أدى وجود أكواد تصحيح الأخطاء الكمومية أيضًا إلى إمكانية تحمُّل الخطأ في الحساب الكمي.
يمكن تشفير البتات الكلاسيكية واسترجاعها لاحقًا من تكوينات الكيوبتات ، من خلال استخدام البوابات الكمومية. في حد ذاته ، لا يمكن للكيوبت الواحد أن ينقل أكثر من بت واحد من المعلومات الكلاسيكية التي يمكن الوصول إليها حول تحضيره. هذه هي نظرية هوليفو. ومع ذلك ، في الترميز فائق الكثافة ، يمكن للمرسل ، من خلال العمل على واحد من اثنين من الكيوبتات المتشابكة ، أن ينقل قطعتين من المعلومات التي يمكن الوصول إليها حول حالتهما المشتركة إلى جهاز استقبال.
يمكن نقل المعلومات الكمية ، في قناة كمومية ، مماثلة لمفهوم قناة الاتصالات الكلاسيكية. الرسائل الكمومية لها حجم محدود ، تقاس بالكيوبتات ؛ القنوات الكمومية لها سعة قناة محدودة ، تقاس بوحدات كيوبت في الثانية.
يمكن قياس المعلومات الكمومية والتغيرات في المعلومات الكمومية من الناحية الكمية باستخدام نظير إنتروبيا شانون ، يسمى إنتروبيا فون نيومان.
في بعض الحالات ، يمكن استخدام الخوارزميات الكمية لإجراء العمليات الحسابية بشكل أسرع من أي خوارزمية كلاسيكية معروفة. أشهر مثال على ذلك هو خوارزمية شور التي يمكنها تحليل الأرقام في زمن متعدد الحدود ، مقارنة بأفضل الخوارزميات الكلاسيكية التي تستغرق وقتًا مضاعفًا. نظرًا لأن التحليل يعد جزءًا مهمًا من أمان تشفير RSA ، فقد أطلقت خوارزمية Shor مجالًا جديدًا للتشفير اللاحق الكمي الذي يحاول العثور على مخططات تشفير تظل آمنة حتى عندما تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قيد التشغيل. تشمل الأمثلة الأخرى للخوارزميات التي تُظهر التفوق الكمي خوارزمية البحث الخاصة بجروفر ، حيث تعطي الخوارزمية الكمومية تسريعًا تربيعيًا على أفضل خوارزمية كلاسيكية ممكنة. تُعرف فئة التعقيد من المشكلات التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة الكمبيوتر الكمومي باسم BQP.
يسمح توزيع المفتاح الكمي (QKD) بنقل آمن غير مشروط للمعلومات الكلاسيكية ، على عكس التشفير الكلاسيكي ، والذي يمكن كسره دائمًا من حيث المبدأ ، إن لم يكن في الممارسة. هل لاحظ أن بعض النقاط الدقيقة المتعلقة بسلامة QKD لا تزال محل نقاش ساخن.
تشتمل دراسة جميع الموضوعات والاختلافات المذكورة أعلاه على نظرية المعلومات الكمية.
علاقتها بميكانيكا الكم
ميكانيكا الكم هي دراسة كيفية تغير الأنظمة الفيزيائية المجهرية ديناميكيًا في الطبيعة. في مجال نظرية المعلومات الكمومية ، تُستخرج الأنظمة الكمومية المدروسة بعيدًا عن أي نظير في العالم الحقيقي. قد يكون الكيوبت على سبيل المثال فوتونًا فيزيائيًا في كمبيوتر كمي ضوئي خطي ، أو أيونًا في كمبيوتر كمي أيوني محاصر ، أو قد يكون مجموعة كبيرة من الذرات كما هو الحال في كمبيوتر كمي فائق التوصيل. بغض النظر عن التطبيق المادي ، فإن حدود وخصائص الكيوبتات الضمنية من خلال نظرية المعلومات الكمومية ثابتة حيث أن جميع هذه الأنظمة موصوفة رياضيًا بواسطة نفس جهاز مصفوفات الكثافة فوق الأعداد المركبة. هناك اختلاف مهم آخر مع ميكانيكا الكم هو أنه في حين أن ميكانيكا الكم غالبًا ما تدرس أنظمة الأبعاد اللانهائية مثل المذبذب التوافقي ، فإن نظرية المعلومات الكمومية تتعلق بكل من الأنظمة المتغيرة المستمرة والأنظمة ذات الأبعاد المحدودة.
حساب الكم
الحوسبة الكمومية هي نوع من الحسابات التي تسخر الخصائص الجماعية للحالات الكمومية ، مثل التراكب والتداخل والتشابك ، لإجراء العمليات الحسابية. تُعرف الأجهزة التي تقوم بالحسابات الكمومية بأجهزة الكمبيوتر الكمومية. (التي تشكل أساس تشفير RSA) ، أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. تعد دراسة الحوسبة الكمومية مجالًا فرعيًا من علم المعلومات الكمومية.
بدأت الحوسبة الكمومية في عام 1980 عندما اقترح الفيزيائي بول بينيوف نموذجًا ميكانيكيًا كميًا لآلة تورينج. اقترح ريتشارد فاينمان ويوري مانين لاحقًا أن الكمبيوتر الكمي لديه القدرة على محاكاة أشياء لا يستطيع الكمبيوتر الكلاسيكي القيام بها بشكل عملي. في عام 1994 ، طور Peter Shor خوارزمية كمومية لتحليل الأعداد الصحيحة مع إمكانية فك تشفير الاتصالات المشفرة RSA. في عام 1998 ، ابتكر كل من إسحاق تشوانغ ونيل غيرشنفيلد ومارك كوبينيك أول كمبيوتر كمي ثنائي الكيوبت يمكنه إجراء العمليات الحسابية. على الرغم من التقدم التجريبي المستمر منذ أواخر التسعينيات ، يعتقد معظم الباحثين أن "الحوسبة الكمية التي تتحمل الأخطاء [ما زالت] حلما بعيد المنال". في السنوات الأخيرة ، ازداد الاستثمار في أبحاث الحوسبة الكمومية في القطاعين العام والخاص. في 1990 أكتوبر 23 ، ادعى Google AI ، بالشراكة مع الإدارة الأمريكية للملاحة الجوية والفضاء (NASA) ، أنه قد أجرى حسابًا كميًا لم يكن ممكنًا على أي جهاز كمبيوتر كلاسيكي ، ولكن ما إذا كان هذا الادعاء صالحًا أم لا يزال موضوعًا بحث نشط.
هناك عدة أنواع من أجهزة الكمبيوتر الكمومية (المعروفة أيضًا باسم أنظمة الحوسبة الكمومية) ، بما في ذلك نموذج الدائرة الكمومية ، وآلة تورينج الكمومية ، والكمبيوتر الكمومي الثابت ، وحاسوب الكم أحادي الاتجاه ، والعديد من الأوتوماتا الخلوية الكمومية. النموذج الأكثر استخدامًا هو الدائرة الكمومية ، استنادًا إلى البت الكمي ، أو "كيوبت" ، والتي تشبه إلى حد ما البتات في الحساب الكلاسيكي. يمكن أن يكون الكيوبت في حالة كمية 1 أو 0 ، أو في تراكب للحالتين 1 و 0. ومع ذلك ، عندما يتم قياسها ، فإنها دائمًا ما تكون 0 أو 1 ؛ يعتمد احتمال أي من النتيجتين على الحالة الكمومية للكيوبت قبل القياس مباشرة.
تركز الجهود المبذولة لبناء كمبيوتر كمومي فيزيائي على تقنيات مثل أجهزة الإرسال والفخاخ الأيونية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية الطوبولوجية ، والتي تهدف إلى إنشاء وحدات كيوبت عالية الجودة. سواء كانت بوابات منطقية كمومية ، أو تلدين كمي ، أو حساب كمومي ثابت الحرارة. يوجد حاليًا عدد من العوائق المهمة لبناء حواسيب كمومية مفيدة. من الصعب بشكل خاص الحفاظ على الحالات الكمومية للكيوبتات ، لأنها تعاني من فك الترابط الكمي وإخلاص الحالة. لذلك تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية تصحيح الخطأ.
يمكن أيضًا حل أي مشكلة حسابية يمكن حلها بواسطة جهاز كمبيوتر تقليدي عن طريق الكمبيوتر الكمومي. على العكس من ذلك ، يمكن أيضًا حل أي مشكلة يمكن حلها بواسطة جهاز كمبيوتر كمي بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي ، على الأقل من حيث المبدأ مع إعطاء الوقت الكافي. بعبارة أخرى ، تخضع أجهزة الكمبيوتر الكمومية لأطروحة Church-Turing. هذا يعني أنه في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا توفر مزايا إضافية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من حيث القدرة على الحوسبة ، فإن الخوارزميات الكمومية لمشاكل معينة لها تعقيدات زمنية أقل بكثير من الخوارزميات التقليدية المعروفة المقابلة. والجدير بالذكر أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يعتقد أنها قادرة على حل مشاكل معينة بسرعة لا يستطيع أي كمبيوتر تقليدي حلها في أي فترة زمنية ممكنة - وهو إنجاز يُعرف باسم "التفوق الكمي". تُعرف دراسة التعقيد الحسابي للمشكلات المتعلقة بأجهزة الكمبيوتر الكمومية باسم نظرية التعقيد الكمي.
يصف النموذج السائد للحساب الكمومي الحساب من حيث شبكة بوابات المنطق الكمومي. يمكن اعتبار هذا النموذج بمثابة تعميم خطي-جبري تجريدي لدائرة كلاسيكية. نظرًا لأن نموذج الدائرة هذا يخضع لميكانيكا الكم ، يُعتقد أن الكمبيوتر الكمي القادر على تشغيل هذه الدوائر بكفاءة يمكن تحقيقه ماديًا.
تحتوي الذاكرة التي تتكون من n بت من المعلومات على 2 ^ n من الحالات الممكنة. وبالتالي ، فإن المتجه الذي يمثل جميع حالات الذاكرة يحتوي على 2 ^ n مدخلات (واحد لكل حالة). يُنظر إلى هذا المتجه على أنه متجه احتمالي ويمثل حقيقة أن الذاكرة موجودة في حالة معينة.
في العرض الكلاسيكي ، سيكون لإدخال واحد قيمة 1 (أي احتمال بنسبة 100٪ لوجوده في هذه الحالة) وستكون جميع الإدخالات الأخرى صفرًا.
في ميكانيكا الكم ، يمكن تعميم نواقل الاحتمالات على عوامل الكثافة. عادة ما يتم تقديم شكليات متجه الحالة الكمومية أولاً لأنها أبسط من الناحية المفاهيمية ، ولأنها يمكن استخدامها بدلاً من شكليات مصفوفة الكثافة للحالات الصافية ، حيث يُعرف النظام الكمي بأكمله.
يمكن وصف الحساب الكمي بأنه شبكة من بوابات وقياسات المنطق الكمومي. ومع ذلك ، يمكن تأجيل أي قياس إلى نهاية الحساب الكمي ، على الرغم من أن هذا التأجيل قد يأتي بتكلفة حسابية ، لذا فإن معظم الدوائر الكمية تصور شبكة تتكون فقط من بوابات منطقية كمومية ولا قياسات.
يمكن تمثيل أي حساب كمي (وهو ، في الشكلية أعلاه ، أي مصفوفة وحدوية فوق n كيوبت) كشبكة من بوابات المنطق الكمومي من عائلة صغيرة إلى حد ما من البوابات. يُعرف اختيار عائلة البوابة التي تمكن هذا البناء باسم مجموعة البوابة العامة ، نظرًا لأن الكمبيوتر الذي يمكنه تشغيل مثل هذه الدوائر هو كمبيوتر كمي عالمي. تشتمل إحدى هذه المجموعات الشائعة على جميع البوابات أحادية الكيوبت بالإضافة إلى بوابة CNOT من الأعلى. هذا يعني أنه يمكن إجراء أي حساب كمي عن طريق تنفيذ سلسلة من بوابات أحادية الكيوبت مع بوابات CNOT. على الرغم من أن مجموعة البوابة هذه لا نهائية ، إلا أنه يمكن استبدالها ببوابة محدودة تم تعيينها من خلال اللجوء إلى نظرية Solovay-Kitaev.
خوارزميات الكم
يركز التقدم في إيجاد الخوارزميات الكمومية عادةً على نموذج الدائرة الكمومية هذا ، على الرغم من وجود استثناءات مثل الخوارزمية الكمومية الثابتة. يمكن تصنيف الخوارزميات الكمومية تقريبًا حسب نوع التسريع الذي تم تحقيقه على الخوارزميات الكلاسيكية المقابلة.
تتضمن الخوارزميات الكمومية التي تقدم أكثر من تسريع متعدد الحدود على أفضل الخوارزمية الكلاسيكية المعروفة خوارزمية شور للعومل والخوارزميات الكمومية ذات الصلة لحساب اللوغاريتمات المنفصلة وحل معادلة بيل وحل مشكلة المجموعة الفرعية المخفية بشكل عام للمجموعات المحدودة الأبيلية. تعتمد هذه الخوارزميات على بدائية تحويل فورييه الكمومي. لم يتم العثور على دليل رياضي يوضح أنه لا يمكن اكتشاف خوارزمية كلاسيكية بنفس السرعة ، على الرغم من أن هذا يعتبر غير مرجح. موجود في نموذج الاستعلام الكمي ، وهو نموذج مقيد حيث يكون إثبات الحدود السفلية أسهل بكثير ولا يُترجم بالضرورة إلى تسريع لمشاكل عملية.
تتضمن المشكلات الأخرى ، بما في ذلك محاكاة العمليات الفيزيائية الكمومية من الكيمياء وفيزياء الحالة الصلبة ، وتقريب بعض كثيرات حدود جونز ، والخوارزمية الكمومية لأنظمة المعادلات الخطية ، خوارزميات كمية تظهر أنها تعطي تسريعًا فائقًا متعدد الحدود وهي كاملة BQP. نظرًا لأن هذه المشكلات مكتملة BQP ، فإن خوارزمية كلاسيكية سريعة بنفس السرعة تعني أنه لا توجد خوارزمية كمومية تعطي تسريعًا متعدد الحدود للغاية ، والذي يُعتقد أنه غير محتمل.
تعطي بعض الخوارزميات الكمومية ، مثل خوارزمية جروفر وتضخيم السعة ، تسريع متعدد الحدود على الخوارزميات الكلاسيكية المقابلة. على الرغم من أن هذه الخوارزميات تعطي تسريعًا تربيعيًا متواضعًا نسبيًا ، إلا أنها قابلة للتطبيق على نطاق واسع وبالتالي توفر تسريعًا لمجموعة واسعة من المشكلات. ترتبط العديد من الأمثلة على تسريع كمي يمكن إثباته لمشكلات الاستعلام بخوارزمية جروفر ، بما في ذلك خوارزمية براسارد وهوير وتاب لإيجاد تصادمات في دالات ثنائية إلى واحد ، والتي تستخدم خوارزمية جروفر وخوارزمية فارهي وجولدستون وجوتمان لتقييم NAND الأشجار ، وهو أحد أشكال مشكلة البحث.
تطبيقات التشفير
أحد التطبيقات البارزة للحساب الكمي هو للهجمات على أنظمة التشفير المستخدمة حاليًا. يُعتقد أن التحليل العاملي الصحيح ، الذي يدعم أمان أنظمة تشفير المفتاح العام ، غير ممكن من الناحية الحسابية باستخدام جهاز كمبيوتر عادي للأعداد الصحيحة الكبيرة إذا كانت نتاج عدد قليل من الأعداد الأولية (على سبيل المثال ، منتجات من اثنين من الأعداد الأولية المكونة من 300 رقم). بالمقارنة ، يمكن للكمبيوتر الكمومي حل هذه المشكلة بكفاءة باستخدام خوارزمية شور للعثور على عواملها. ستسمح هذه القدرة للكمبيوتر الكمومي بكسر العديد من أنظمة التشفير المستخدمة اليوم ، بمعنى أنه سيكون هناك وقت متعدد الحدود (في عدد أرقام العدد الصحيح) لحل المشكلة. على وجه الخصوص ، تستند معظم أصفار المفاتيح العامة الشائعة إلى صعوبة تحليل الأعداد الصحيحة أو مشكلة اللوغاريتم المنفصلة ، وكلاهما يمكن حلهما بواسطة خوارزمية شور. على وجه الخصوص ، يمكن كسر خوارزميات Diffie-Hellman منحنى RSA و Diffie-Hellman والمنحنى الإهليلجي. تُستخدم هذه لحماية صفحات الويب الآمنة والبريد الإلكتروني المشفر والعديد من أنواع البيانات الأخرى. إن كسر هذه الأمور سيكون له تداعيات كبيرة على الخصوصية والأمان الإلكترونيين.
تحديد أنظمة التشفير التي قد تكون آمنة ضد الخوارزميات الكمومية هو موضوع بحث نشط في مجال تشفير ما بعد الكم. تعتمد بعض خوارزميات المفتاح العمومي على مشكلات أخرى غير تحليل العوامل الصحيحة ومشكلات اللوغاريتم المنفصلة التي تنطبق عليها خوارزمية شور ، مثل نظام التشفير McEliece المستند إلى مشكلة في نظرية التشفير. لا يُعرف أيضًا أن أنظمة التشفير المستندة إلى الشبكة تم كسرها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وإيجاد خوارزمية زمنية متعددة الحدود لحل مشكلة المجموعة الفرعية المخفية ثنائية الأضلاع ، والتي من شأنها كسر العديد من أنظمة التشفير المستندة إلى الشبكة ، هي مشكلة مفتوحة مدروسة جيدًا. لقد ثبت أن تطبيق خوارزمية جروفر لكسر خوارزمية متماثل (مفتاح سري) بالقوة الغاشمة يتطلب وقتًا يساوي تقريبًا 2 ن/2 من طلبات خوارزمية التشفير الأساسية ، مقارنةً بحوالي 2 ن في الحالة الكلاسيكية ، مما يعني أن أطوال المفاتيح المتماثلة هي بشكل فعال إلى النصف: سيكون لدى AES-256 نفس الأمان ضد هجوم باستخدام خوارزمية Grover التي تتمتع بها AES-128 ضد البحث التقليدي بالقوة الغاشمة (انظر حجم المفتاح).
يمكن أن يؤدي التشفير الكمي بعض وظائف تشفير المفتاح العام. لذلك ، يمكن أن تكون أنظمة التشفير القائمة على الكم أكثر أمانًا من الأنظمة التقليدية ضد القرصنة الكمومية.
مشاكل البحث
المثال الأكثر شهرة لمشكلة الاعتراف بالتسريع الكمي متعدد الحدود هو البحث غير المنظم ، والعثور على عنصر محدد من قائمة n من العناصر في قاعدة البيانات. يمكن حل ذلك عن طريق خوارزمية Grover باستخدام استعلامات O (sqrt (n)) إلى قاعدة البيانات ، وهي أقل تربيعًا من استعلامات Omega (n) المطلوبة للخوارزميات الكلاسيكية. في هذه الحالة ، لا يمكن إثبات الميزة فحسب ، بل هي أيضًا مثالية: فقد ثبت أن خوارزمية Grover توفر أقصى احتمال ممكن للعثور على العنصر المطلوب لأي عدد من عمليات بحث أوراكل.
المشكلات التي يمكن معالجتها باستخدام خوارزمية جروفر لها الخصائص التالية:
- لا توجد بنية قابلة للبحث في مجموعة الإجابات المحتملة ،
- عدد الإجابات الممكنة للتحقق هو نفس عدد المدخلات في الخوارزمية ، و
- توجد دالة منطقية تقيم كل إدخال وتحدد ما إذا كانت الإجابة الصحيحة
بالنسبة للمشكلات المتعلقة بكل هذه الخصائص ، فإن وقت تشغيل خوارزمية جروفر على جهاز كمبيوتر كمي يقاس كجذر تربيعي لعدد المدخلات (أو العناصر الموجودة في قاعدة البيانات) ، على عكس القياس الخطي للخوارزميات الكلاسيكية. فئة عامة من المشكلات التي يمكن تطبيق خوارزمية جروفر عليها هي مشكلة الرضاء المنطقية ، حيث تكون قاعدة البيانات التي تتكرر من خلالها الخوارزمية هي تلك التي تضم جميع الإجابات الممكنة. مثال وتطبيق (محتمل) لهذا هو أداة تكسير كلمات المرور التي تحاول تخمين كلمة مرور. الأصفار المتماثلة مثل Triple DES و AES معرضة بشكل خاص لهذا النوع من الهجوم.
محاكاة أنظمة الكم
نظرًا لأن الكيمياء وتكنولوجيا النانو تعتمد على فهم أنظمة الكم ، ومن المستحيل محاكاة مثل هذه الأنظمة بطريقة فعالة بشكل كلاسيكي ، يعتقد الكثيرون أن المحاكاة الكمية ستكون أحد أهم تطبيقات الحوسبة الكمومية. يمكن أيضًا استخدام المحاكاة الكمية لمحاكاة سلوك الذرات والجسيمات في ظروف غير عادية مثل التفاعلات داخل المصادم. يمكن استخدام المحاكاة الكمية للتنبؤ بالمسارات المستقبلية للجسيمات والبروتونات تحت التراكب في تجربة الشق المزدوج. [بحاجة لمصدر] يتم استخدام حوالي 2٪ من إنتاج الطاقة العالمي السنوي لتثبيت النيتروجين لإنتاج الأمونيا لعملية هابر في الزراعة صناعة الأسمدة بينما تنتج الكائنات الحية بشكل طبيعي الأمونيا. يمكن استخدام المحاكاة الكمية لفهم هذه العملية التي تزيد الإنتاج.
التلدين الكمي والتحسين الأديباتي
التلدين الكمي أو الحساب الكمي الأديباتي يعتمد على نظرية ثابت الحرارة لإجراء العمليات الحسابية. يتم وضع النظام في الحالة الأساسية لـ Hamiltonian البسيط ، والذي يتطور ببطء إلى Hamiltonian أكثر تعقيدًا والذي تمثل حالته الأساسية الحل للمشكلة المعنية. تنص النظرية الثابتة على أنه إذا كان التطور بطيئًا بدرجة كافية ، فسيظل النظام في حالته الأساسية في جميع الأوقات خلال العملية.
تعلم الآلة
نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن أن تنتج مخرجات لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إنتاجها بكفاءة ، وبما أن الحساب الكمي هو في الأساس جبر خطي ، فإن البعض يعرب عن أمله في تطوير خوارزميات كمية يمكنها تسريع مهام التعلم الآلي. على سبيل المثال ، يُعتقد أن الخوارزمية الكمومية لأنظمة المعادلات الخطية ، أو "خوارزمية HHL" ، التي سميت على اسم مكتشفيها Harrow و Hassidim و Lloyd ، توفر تسريعًا على نظرائها الكلاسيكيين. قامت بعض المجموعات البحثية مؤخرًا باستكشاف استخدام أجهزة التلدين الكمي لتدريب آلات بولتزمان والشبكات العصبية العميقة.
علم الأحياء الحسابي
في مجال علم الأحياء الحسابي ، لعبت الحوسبة الكمومية دورًا كبيرًا في حل العديد من المشكلات البيولوجية. أحد الأمثلة المعروفة هو علم الجينوم الحاسوبي وكيف أن الحوسبة قللت بشكل كبير من وقت تسلسل الجينوم البشري. بالنظر إلى كيفية استخدام علم الأحياء الحسابي لنمذجة البيانات العامة وتخزينها ، فمن المتوقع أن تظهر تطبيقاتها في علم الأحياء الحسابي أيضًا.
تصميم الأدوية بمساعدة الحاسوب والكيمياء التوليدية
تظهر نماذج الكيمياء التوليدية العميقة كأدوات قوية لتسريع اكتشاف الأدوية. ومع ذلك ، فإن الحجم الهائل والتعقيد للفضاء الهيكلي لجميع الجزيئات الشبيهة بالعقاقير المحتملة تشكل عقبات كبيرة ، والتي يمكن التغلب عليها في المستقبل بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية جيدة بشكل طبيعي لحل المشكلات المعقدة للعديد من الأجسام الكمومية ، وبالتالي قد تكون مفيدة في التطبيقات التي تتضمن كيمياء الكم. لذلك ، يمكن للمرء أن يتوقع أن النماذج التوليدية المحسنة الكم بما في ذلك GANs الكمومية قد يتم تطويرها في نهاية المطاف إلى خوارزميات الكيمياء التوليدية النهائية. يمكن بالفعل تدريب البنى الهجينة التي تجمع بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والشبكات الكلاسيكية العميقة ، مثل المبردات التلقائية المتغيرة الكمية ، على مواد التلدين المتاحة تجاريًا واستخدامها لإنشاء هياكل جزيئية جديدة شبيهة بالعقاقير.
تطوير الحواسيب الكمومية
التحديات
هناك عدد من التحديات التقنية في بناء جهاز كمبيوتر كمي واسع النطاق. قام الفيزيائي David DiVincenzo بإدراج هذه المتطلبات لجهاز كمبيوتر كمي عملي:
- قابلة للتطوير فعليًا لزيادة عدد البتات ،
- كيوبتس التي يمكن تهيئتها لقيم عشوائية ،
- بوابات كمومية أسرع من زمن فك الترابط ،
- مجموعة البوابة العالمية ،
- كيبيتس يمكن قراءتها بسهولة.
يعد الحصول على أجزاء لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أمرًا صعبًا للغاية. تحتاج العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، مثل تلك التي أنشأتها Google و IBM ، إلى الهيليوم 3 ، وهو منتج ثانوي للأبحاث النووية ، وكابلات فائقة التوصيل خاصة من صنع شركة Coax اليابانية فقط.
يتطلب التحكم في الأنظمة متعددة الكيوبت توليد وتنسيق عدد كبير من الإشارات الكهربائية مع دقة توقيت صارمة وحتمية. وقد أدى ذلك إلى تطوير وحدات تحكم كمومية تتيح التفاعل مع الكيوبتات. يعد توسيع نطاق هذه الأنظمة لدعم عدد متزايد من الكيوبتات تحديًا إضافيًا.
فك الترابط الكمي
يعد التحكم في فك الترابط الكمي أو إزالته من أكبر التحديات التي ينطوي عليها بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يعني هذا عادةً عزل النظام عن بيئته حيث تؤدي التفاعلات مع العالم الخارجي إلى فك النظام. ومع ذلك ، توجد أيضًا مصادر أخرى لفك الترابط. تشمل الأمثلة البوابات الكمومية ، والاهتزازات الشبكية والدوران النووي الحراري الخلفي للنظام الفيزيائي المستخدم لتنفيذ الكيوبتات. إن فك الترابط لا رجوع فيه ، لأنه غير وحدوي بشكل فعال ، وعادة ما يكون شيئًا يجب التحكم فيه بشكل كبير ، إن لم يتم تجنبه. أوقات فك الترابط للأنظمة المرشحة على وجه الخصوص ، وقت الاسترخاء المستعرض T2 (لتقنية الرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي ، وتسمى أيضًا وقت إزالة التماسك) ، تتراوح عادةً بين نانوثانية وثواني عند درجة حرارة منخفضة. في الوقت الحالي ، تتطلب بعض أجهزة الكمبيوتر الكمومية تبريد كيوبتاتها إلى 20 مللي كلفن (عادةً باستخدام ثلاجة مخففة) من أجل منع فك الترابط الكبير. تجادل دراسة أجريت عام 2020 أن الإشعاع المؤين مثل الأشعة الكونية يمكن أن يتسبب مع ذلك في فك أنظمة معينة للالتفاف خلال أجزاء من الثانية.
نتيجة لذلك ، قد تجعل المهام التي تستغرق وقتًا طويلاً بعض الخوارزميات الكمومية غير قابلة للتشغيل ، لأن الحفاظ على حالة الكيوبت لمدة طويلة بما يكفي سيؤدي في النهاية إلى إتلاف التراكبات.
تعد هذه المشكلات أكثر صعوبة بالنسبة للطرق البصرية حيث أن المقاييس الزمنية أقصر من حيث الحجم ، ومن الأساليب التي يتم الاستشهاد بها غالبًا للتغلب عليها هي تشكيل النبض البصري. تتناسب معدلات الخطأ عادةً مع نسبة وقت التشغيل إلى وقت فك الترابط ، وبالتالي يجب إكمال أي عملية بسرعة أكبر بكثير من وقت فك الترابط.
كما هو موضح في نظرية عتبة الكم ، إذا كان معدل الخطأ صغيرًا بدرجة كافية ، يُعتقد أنه من الممكن استخدام تصحيح الخطأ الكمي لقمع الأخطاء وفك الترابط. يتيح ذلك أن يكون وقت الحساب الإجمالي أطول من وقت فك الترابط إذا كان مخطط تصحيح الخطأ يمكن أن يصحح الأخطاء بشكل أسرع مما يقدمها فك الترابط. الرقم الذي يتم الاستشهاد به غالبًا لمعدل الخطأ المطلوب في كل بوابة لحساب تحمل الخطأ هو 10−3 ، بافتراض أن الضوضاء مزالة الاستقطاب.
تلبية شرط قابلية التوسع هذا ممكن لمجموعة واسعة من الأنظمة. ومع ذلك ، فإن استخدام تصحيح الخطأ يجلب معه تكلفة العدد المتزايد بشكل كبير من الكيوبتات المطلوبة. العدد المطلوب لتحليل الأعداد الصحيحة باستخدام خوارزمية شور لا يزال متعدد الحدود ، ويُعتقد أنه يقع بين L و L2 ، حيث L هو عدد الأرقام في العدد المطلوب تحليله إلى عوامل ؛ من شأن خوارزميات تصحيح الخطأ أن تضخم هذا الرقم بعامل إضافي L. لعدد 1000 بت ، وهذا يعني الحاجة إلى حوالي 104 بت دون تصحيح الخطأ. مع تصحيح الخطأ ، سيرتفع الرقم إلى حوالي 107 بت. يبلغ وقت الحساب حوالي L2 أو حوالي 107 خطوات وعند 1 ميجاهرتز ، حوالي 10 ثوانٍ.
هناك نهج مختلف تمامًا لمشكلة الاستقرار وفك الترابط وهو إنشاء كمبيوتر كمومي طوبولوجي به أيونات وأشباه جسيمات تستخدم كخيوط والاعتماد على نظرية جديلة لتشكيل بوابات منطقية مستقرة.
تفوق الكم
التفوق الكمي هو مصطلح صاغه جون بريسكيل في إشارة إلى الإنجاز الهندسي المتمثل في إثبات أن الجهاز الكمي القابل للبرمجة يمكنه حل مشكلة تتجاوز قدرات أحدث أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. لا يجب أن تكون المشكلة مفيدة ، لذلك يرى البعض أن اختبار السيادة الكمومية فقط كمعيار مرجعي محتمل في المستقبل.
في أكتوبر 2019 ، أصبح Google AI Quantum ، بمساعدة وكالة ناسا ، أول من ادعى أنه حقق التفوق الكمي من خلال إجراء حسابات على الكمبيوتر الكمي Sycamore أسرع بأكثر من 3,000,000،XNUMX،XNUMX مرة مما يمكن إجراؤه في Summit ، والذي يعتبر عمومًا الأسرع في العالم الحاسوب. تم تحدي هذا الادعاء لاحقًا: صرحت شركة IBM أن بإمكان Summit إجراء العينات بشكل أسرع مما يُدعى ، وقد طور الباحثون منذ ذلك الحين خوارزميات أفضل لمشكلة أخذ العينات المستخدمة للمطالبة بالتفوق الكمي ، مما أدى إلى تخفيضات كبيرة أو سد الفجوة بين Sycamore و أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية.
في ديسمبر 2020 ، نفذت مجموعة في USTC نوعًا من عينات Boson على 76 فوتونًا باستخدام كمبيوتر كمومي ضوئي Jiuzhang لإثبات التفوق الكمي. يدعي المؤلفون أن الحاسوب الفائق المعاصر يتطلب وقتًا حسابيًا يبلغ 600 مليون سنة لتوليد عدد العينات التي يمكن أن ينتجها المعالج الكمي في 20 ثانية. في 16 نوفمبر 2021 ، في قمة الحوسبة الكمية ، قدمت شركة IBM معالجًا دقيقًا يبلغ 127 كيلوبت اسمه IBM Eagle.
التطبيقات المادية
من أجل التنفيذ المادي لجهاز كمبيوتر كمي ، تتم متابعة العديد من المرشحين المختلفين ، من بينهم (يتميزون بالنظام المادي المستخدم لإدراك الكيوبتات):
- الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل (الكيوبت التي تنفذها حالة الدوائر الصغيرة فائقة التوصيل ، تقاطعات جوزيفسون)
- الكمبيوتر الكمي الأيوني المحاصر (يتم تنفيذ الكيوبت بواسطة الحالة الداخلية للأيونات المحاصرة)
- الذرات المحايدة في المشابك الضوئية (يتم تنفيذ كيوبت بواسطة الحالات الداخلية للذرات المحايدة المحاصرة في شبكة بصرية)
- كمبيوتر النقطة الكمية ، القائم على الدوران (على سبيل المثال ، الكمبيوتر الكمومي Loss-DiVincenzo) (الكيوبت المعطى بواسطة حالات الدوران للإلكترونات المحاصرة)
- كمبيوتر النقطة الكمية ، المكاني (كيوبت معطى عن طريق موضع الإلكترون في نقطة كمومية مزدوجة)
- الحوسبة الكمومية باستخدام آبار كمومية هندسية ، والتي يمكن من حيث المبدأ أن تمكن من بناء أجهزة كمبيوتر كمومية تعمل في درجة حرارة الغرفة
- السلك الكمي المقترن (كيوبت مطبق بواسطة زوج من الأسلاك الكمومية مقترنًا بنقطة كمومية ملامسة)
- الكمبيوتر الكمومي بالرنين المغناطيسي النووي (NMRQC) المنفذ بالرنين المغناطيسي النووي للجزيئات الموجودة في المحلول ، حيث يتم توفير الكيوبتات بواسطة السبينات النووية داخل الجزيء المذاب ويتم فحصها بواسطة موجات الراديو
- أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الحالة الصلبة NMR Kane (تتحقق الكيوبت من خلال حالة الدوران النووي لمانحي الفوسفور في السيليكون)
- الحواسيب الكمومية للإلكترونات على الهيليوم (الكيوبت هو دوران الإلكترون)
- الديناميكا الكهربية للكم التجويفي (CQED) (كيوبت مقدم من الحالة الداخلية للذرات المحاصرة المقترنة بتجاويف عالية الجودة)
- المغناطيس الجزيئي (كيوبت معطى بواسطة حالات الدوران)
- الكمبيوتر الكمي ESR القائم على الفوليرين (يعتمد الكيوبت على الدوران الإلكتروني للذرات أو الجزيئات المغلفة بالفوليرين)
- الكمبيوتر الكمي البصري غير الخطي (تتحقق الكيوبتات من خلال حالات معالجة أنماط الضوء المختلفة من خلال العناصر الخطية وغير الخطية)
- الكمبيوتر الكمي البصري الخطي (تتحقق الكيوبتات من خلال حالات المعالجة لأنماط مختلفة من الضوء من خلال العناصر الخطية مثل المرايا ومقسمات الأشعة ومبدل الطور)
- حاسوب كمومي قائم على الألماس (كيوبت تتحقق عن طريق الدوران الإلكتروني أو النووي لمراكز شغور النيتروجين في الماس)
- الكمبيوتر الكمي القائم على مكثف بوز-آينشتاين
- الكمبيوتر الكمي القائم على الترانزستور - حواسيب كمومية خيطية تحتوي على ثقوب موجبة باستخدام مصيدة إلكتروستاتيكية
- حواسيب كمومية نادرة ذات أرضية فلزية ومغطاة بأيونات بلورية غير عضوية (تتحقق الكيوبت من خلال الحالة الإلكترونية الداخلية للإشعاعات في الألياف الضوئية)
- الحواسيب الكمومية ذات الغلاف النانوي الكربوني الشبيهة بالمعادن
- يوضح العدد الكبير من المرشحين أن الحوسبة الكمية ، على الرغم من التقدم السريع ، لا تزال في مهدها.
هناك عدد من نماذج الحوسبة الكمومية ، تتميز بالعناصر الأساسية التي تتحلل فيها الحسابات. للتطبيقات العملية ، النماذج الأربعة ذات الصلة للحساب هي:
- مصفوفة البوابة الكمومية (يتحلل الحساب إلى سلسلة من بوابات كمومية قليلة كيوبت)
- كمبيوتر كمي أحادي الاتجاه (يتحلل الحساب إلى سلسلة من القياسات ذات الكيوبت الواحد المطبقة على حالة أولية شديدة التشابك أو حالة الكتلة)
- الكمبيوتر الكمي Adiabatic ، القائم على التلدين الكمي (يتحلل الحساب إلى تحول بطيء مستمر من هاميلتوني أولي إلى هاميلتوني نهائي ، والذي تحتوي حالاته الأساسية على المحلول)
- الكمبيوتر الكمي الطوبولوجي (يتحلل الحساب إلى تجديل أيونات في شبكة ثنائية الأبعاد)
تعتبر آلة تورينج الكمومية مهمة من الناحية النظرية ولكن التنفيذ المادي لهذا النموذج غير ممكن. ثبت أن جميع نماذج الحساب الأربعة متكافئة ؛ يمكن لكل منهما محاكاة الآخر بما لا يزيد عن كثير الحدود.
للتعرف بالتفصيل على منهج الشهادات ، يمكنك توسيع الجدول أدناه وتحليله.
يشير منهج شهادة أساسيات المعلومات الكمية EITC/QI/QIF إلى مواد تعليمية مفتوحة الوصول في شكل فيديو. تنقسم عملية التعلم إلى هيكل خطوة بخطوة (برامج -> دروس -> موضوعات) تغطي أجزاء المنهج ذات الصلة. كما يتم توفير استشارات غير محدودة مع خبراء المجال.
للحصول على تفاصيل حول التحقق من إجراءات الشهادة كيف تعمل.
مذكرات المحاضرة الرئيسية
ملاحظات محاضرة يو.
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
ملاحظات محاضرة داعمة
جاكاك وآخرون. ملاحظات المحاضرة (مع المواد التكميلية):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
الكتاب المدرسي الداعم الرئيسي
كتاب حساب الكم والمعلومات الكمومية (نيلسن ، تشوانغ):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
ملاحظات محاضرة إضافية
ملاحظات محاضرة بريسكيل:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
أ. ملاحظات محاضرة تشايلدز:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
ملاحظات محاضرة S. Aaronson:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
ملاحظات محاضرة R. de Wolf:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
الكتب المدرسية الأخرى الموصى بها
الحساب الكلاسيكي والكمي (Kitaev ، Shen ، Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
الحوسبة الكمية منذ ديموقريطس (آرونسون)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
نظرية المعلومات الكمومية (واتروس)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
نظرية المعلومات الكمومية (وايلد)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
قم بتنزيل المواد التحضيرية الكاملة للتعلم الذاتي دون الاتصال بالإنترنت لبرنامج EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals في ملف PDF
المواد التحضيرية لـ EITC/QI/QIF - الإصدار القياسي
المواد التحضيرية لـ EITC/QI/QIF - نسخة موسعة مع أسئلة المراجعة