EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals היא תוכנית הסמכת IT האירופית על היבטים תיאורטיים ומעשיים של מידע קוונטי וחישוב קוונטי, המבוססת על חוקי הפיזיקה הקוונטית ולא של הפיזיקה הקלאסית ומציעה יתרונות איכותיים על פני מקביליהם הקלאסיים.
תכנית הלימודים של EITC/QI/QIF Fundamentals Information Quantum מכסה מבוא למכניקת הקוונטים (כולל התחשבות בניסוי החריץ הכפול והפרעות גלי החומר), מבוא למידע קוונטי (קיוביטים והייצוג הגיאומטרי שלהם), קיטוב האור, עקרון אי הוודאות, קוונטי. הסתבכות, פרדוקס EPR, הפרת אי-שוויון בל, נטישת הריאליזם המקומי, עיבוד מידע קוונטי (כולל טרנספורמציה יחידה, שערים של קיוביט בודד ושני קיוביטים), משפט ללא שיבוט, טלפורטציה קוונטית, מדידה קוונטית, חישוב קוונטי (כולל היכרות עם ריבוי קווים). מערכות qubit, משפחה אוניברסלית של שערים, הפיכות חישוב), אלגוריתמים קוונטיים (כולל קוונטים פורייה טרנספורמציה, אלגוריתם של סיימון, תזה מורחבת של Churh-Turing, אלגוריתם קוונטי פקטורינג של Shor'q, אלגוריתם החיפוש הקוונטי של גרובר), קוואנטים נצפים,' יישומי qubits, תורת המורכבות הקוונטית, מחשוב קוונטי אדיאבטי ion, BQP, מבוא לספין, בתוך המבנה הבא, הכולל תוכן דידקטי וידאו מקיף כהתייחסות להסמכת EITC זו.
מידע קוונטי הוא מידע על מצבה של מערכת קוונטית. זוהי הישות הבסיסית של מחקר בתורת המידע הקוונטי, וניתנת למניפולציה באמצעות טכניקות עיבוד מידע קוונטי. מידע קוונטי מתייחס הן להגדרה הטכנית במונחים של אנטרופיה פון נוימן והן למונח החישובי הכללי.
מידע ומיחשוב קוונטי הוא תחום בינתחומי הכולל בין היתר מכניקת הקוונטים, מדעי המחשב, תורת המידע, פילוסופיה והצפנה. המחקר שלו רלוונטי גם לדיסציפלינות כמו מדעי הקוגניציה, פסיכולוגיה ומדעי המוח. ההתמקדות העיקרית שלו היא בהפקת מידע מחומר בקנה מידה מיקרוסקופי. התבוננות במדע היא קריטוריום ייחודי של המציאות ואחת הדרכים החשובות ביותר לרכישת מידע. מכאן שנדרשת מדידה על מנת לכמת את התצפית, מה שהופך אותה לחיונית לשיטה המדעית. במכניקת הקוונטים, בשל עקרון אי הוודאות, לא ניתן למדוד במדויק נצפים שאינם נוסעים בו-זמנית, שכן מצב עצמי בבסיס אחד אינו מצב עצמי בבסיס השני. מכיוון ששני המשתנים אינם מוגדרים היטב בו זמנית, מצב קוונטי לעולם לא יכול להכיל מידע סופי על שני המשתנים. בשל תכונה בסיסית זו של המדידה במכניקת הקוונטים, ניתן לאפיין תיאוריה זו באופן כללי כבלתי דטרמיניסטית בניגוד למכניקה הקלאסית, שהיא דטרמיניסטית לחלוטין. האי-דטרמיניזם של מצבים קוונטיים מאפיין מידע המוגדר כמצבים של מערכות קוונטיות. במונחים מתמטיים מצבים אלו נמצאים בסופרפוזיציות (צירופים ליניאריים) של מצבי מערכות קלאסיות.
מכיוון שמידע תמיד מקודד במצב של מערכת פיזית, הוא פיזי בפני עצמו. בעוד מכניקת הקוונטים עוסקת בבחינת תכונות של חומר ברמה המיקרוסקופית, מדע המידע הקוונטי מתמקד בהפקת מידע מאותן תכונות, וחישוב קוונטי מפעיל ומעבד מידע קוונטי - מבצע פעולות לוגיות - תוך שימוש בטכניקות עיבוד מידע קוונטי.
מידע קוונטי, כמו מידע קלאסי, ניתן לעיבוד באמצעות מחשבים, להעביר ממיקום אחד לאחר, לתמרן עם אלגוריתמים ולנתח באמצעות מדעי המחשב ומתמטיקה. בדיוק כמו שהיחידה הבסיסית של המידע הקלאסי היא הביט, מידע קוונטי עוסק בקיוביטים, שיכולים להתקיים בסופרפוזיציה של 0 ו-1 (במקביל להיות קצת נכון ושקרי). מידע קוונטי יכול להתקיים גם במצבים שנקראים מסובכים, שמבטאים במדידות שלהם מתאמים לא-מקלאסיים בלבד, המאפשרים יישומים כמו טלפורטציה קוונטית. ניתן למדוד את רמת ההסתבכות באמצעות אנטרופיה פון נוימן, שהיא גם מדד למידע קוונטי. לאחרונה הפך תחום המחשוב הקוונטי לתחום מחקר פעיל מאוד בגלל האפשרות לשבש את המחשוב, התקשורת וההצפנה המודרניים.
ההיסטוריה של מידע קוונטי החלה בתחילת המאה ה-20 כאשר הפיזיקה הקלאסית עברה מהפכה לפיזיקה קוונטית. התיאוריות של הפיזיקה הקלאסית חיזו אבסורדיות כמו קטסטרופה אולטרה סגולה, או אלקטרונים המתגלגלים לתוך הגרעין. בהתחלה הבעיות הללו נמחקו הצידה על ידי הוספת השערות אד-הוק לפיזיקה הקלאסית. עד מהרה התברר שיש ליצור תיאוריה חדשה כדי להבין את האבסורדים הללו, ותאוריית מכניקת הקוונטים נולדה.
מכניקת הקוונטים נוסחה על ידי שרדינגר באמצעות מכניקת גלים והייזנברג באמצעות מכניקת מטריצה. השקילותן של שיטות אלו הוכחה מאוחר יותר. הניסוחים שלהם תיארו את הדינמיקה של מערכות מיקרוסקופיות אך היו להם כמה היבטים לא מספקים בתיאור תהליכי מדידה. פון נוימן ניסח את תורת הקוונטים באמצעות אלגברה אופרטור באופן שתיאר מדידה כמו גם דינמיקה. מחקרים אלו הדגישו את ההיבטים הפילוסופיים של מדידה ולא גישה כמותית להפקת מידע באמצעות מדידות.
בשנות ה-1960, סטרטונוביץ', הלסטרום וגורדון הציעו ניסוח של תקשורת אופטית תוך שימוש במכניקת קוונטים. זו הייתה ההופעה ההיסטורית הראשונה של תורת המידע הקוונטי. הם חקרו בעיקר הסתברויות שגיאות ויכולות ערוץ לתקשורת. מאוחר יותר, Holevo השיג גבול עליון של מהירות תקשורת בהעברת מסר קלאסי דרך ערוץ קוונטי.
בשנות ה-1970 החלו להתפתח טכניקות לתמרון מצבים קוונטיים של אטום בודד, כמו מלכודת האטום ומיקרוסקופ המנהור הסורק, המאפשרות לבודד אטומים בודדים ולסדר אותם במערכים. לפני הפיתוחים הללו, שליטה מדויקת על מערכות קוונטיות בודדות לא הייתה אפשרית, והניסויים השתמשו בשליטה גסה יותר בו-זמנית על מספר רב של מערכות קוונטיות. הפיתוח של טכניקות מניפולציה של מצב יחיד הוביל לעניין מוגבר בתחום המידע הקוונטי ומחשוב.
בשנות ה-1980 התעורר עניין האם ייתכן שניתן להשתמש באפקטים קוונטיים כדי להפריך את תורת היחסות של איינשטיין. אם היה ניתן לשבט מצב קוונטי לא ידוע, ניתן היה להשתמש במצבים קוונטיים סבוכים כדי להעביר מידע מהר יותר ממהירות האור, מה שמפריך את התיאוריה של איינשטיין. עם זאת, משפט אי-השיבוט הראה ששיבוט כזה הוא בלתי אפשרי. המשפט היה אחת התוצאות המוקדמות ביותר של תורת המידע הקוונטי.
פיתוח מקריפטוגרפיה
למרות כל ההתרגשות והעניין על חקר מערכות קוונטיות מבודדות והניסיון למצוא דרך לעקוף את תורת היחסות, המחקר בתורת המידע הקוונטי הפך לקפאון בשנות השמונים. עם זאת, בערך באותו זמן החלה דרך נוספת להתעסק במידע קוונטי ובחישובים: קריפטוגרפיה. במובן כללי, קריפטוגרפיה היא הבעיה של ביצוע תקשורת או חישוב הכוללים שני צדדים או יותר שאולי לא בוטחים זה בזה.
בנט ובראסארד פיתחו ערוץ תקשורת שאי אפשר לצותת אליו מבלי להתגלות, דרך לתקשר בחשאי למרחקים ארוכים באמצעות פרוטוקול ההצפנה הקוונטי BB84. הרעיון המרכזי היה השימוש בעקרון היסודי של מכניקת הקוונטים לפיו התבוננות מטרידה את הנצפה, והכנסת מצותת לקו תקשורת מאובטח תאפשר מיד לשני הצדדים המנסים לתקשר לדעת על נוכחותו של המצותת.
פיתוח ממדעי המחשב ומתמטיקה
עם הופעת הרעיונות המהפכניים של אלן טיורינג על מחשב הניתן לתכנות, או מכונת טיורינג, הוא הראה שניתן לתרגם כל חישוב בעולם האמיתי לחישוב שווה ערך הכולל מכונת טיורינג. זה ידוע בתור התזה של Church–Turing.
עד מהרה נוצרו המחשבים הראשונים וחומרת המחשבים גדלה בקצב כה מהיר עד שהצמיחה, באמצעות ניסיון בייצור, קודדה למערכת יחסים אמפירית שנקראת חוק מור. 'חוק' זה הוא מגמה השלכתית הקובעת שמספר הטרנזיסטורים במעגל משולב מוכפל מדי שנתיים. כשהטרנזיסטורים החלו להיות קטנים יותר ויותר כדי לארוז יותר כוח לכל שטח פנים, השפעות קוונטיות החלו להופיע באלקטרוניקה וכתוצאה מכך הפרעות בשוגג. זה הוביל להופעת המחשוב הקוונטי, שהשתמש במכניקת הקוונטים כדי לעצב אלגוריתמים.
בשלב זה, מחשבים קוונטיים הראו הבטחה להיות הרבה יותר מהירים ממחשבים קלאסיים עבור בעיות ספציפיות מסוימות. בעיה אחת כזו פותחה על ידי דיוויד דויטש וריצ'רד ג'וזה, המכונה אלגוריתם דויטש-ג'וזה. אולם בעיה זו החזיקה מעט עד לא יישומים מעשיים. פיטר שור ב-1994 הגיע עם בעיה חשובה ומעשית מאוד, אחת של מציאת הגורמים העיקריים של מספר שלם. את בעיית הלוגריתם הבדיד כפי שהיא נקראה, ניתן לפתור ביעילות במחשב קוונטי אך לא במחשב קלאסי ומכאן שמראה שמחשבים קוונטיים חזקים יותר ממכונות טיורינג.
פיתוח מתורת המידע
בערך בתקופה שמדעי המחשב עשו מהפכה, כך גם תורת המידע והתקשורת, באמצעות קלוד שאנון. שאנון פיתחה שני משפטים בסיסיים של תורת המידע: משפט קידוד ערוץ ללא רעש ומשפט קידוד ערוץ רועש. הוא גם הראה שניתן להשתמש בקודים לתיקון שגיאות כדי להגן על מידע שנשלח.
גם תורת המידע הקוונטית עקבה אחר מסלול דומה, בן שומאכר בשנת 1995 עשה אנלוגי למשפט הקידוד חסר הרעש של שאנון באמצעות הקיוביט. כמו כן התפתחה תיאוריה של תיקון שגיאות, המאפשרת למחשבים קוונטיים לבצע חישובים יעילים ללא קשר לרעש, וליצור תקשורת אמינה על פני ערוצי קוונטים רועשים.
קוויביטים ותורת המידע
מידע קוונטי נבדל מאוד ממידע קלאסי, המתגלם ב-bit, בדרכים מדהימות ולא מוכרות רבות. בעוד שהיחידה הבסיסית של המידע הקלאסי היא הביט, היחידה הבסיסית ביותר של מידע קוונטי היא הקיוביט. מידע קלאסי נמדד באמצעות אנטרופיה של שאנון, בעוד שהאנלוגי המכאני הקוונטי הוא אנטרופיה פון נוימן. אנסמבל סטטיסטי של מערכות מכניות קוונטיות מאופיין במטריצת הצפיפות. ניתן להכליל מדדי אנטרופיה רבים בתורת המידע הקלאסית גם למקרה הקוונטי, כגון אנטרופיה הולבו והאנטרופיה הקוונטית המותנית.
בניגוד למצבים דיגיטליים קלאסיים (שהם בדידים), קיוביט הוא בעל ערך רציף, שניתן לתאר על ידי כיוון בכדור בלוך. למרות הערכה מתמשכת בדרך זו, קיוביט היא היחידה הקטנה ביותר האפשרית של מידע קוונטי, ולמרות שמצב הקיוביט בעל ערך רציף, אי אפשר למדוד את הערך במדויק. חמישה משפטים מפורסמים מתארים את המגבלות על מניפולציה של מידע קוונטי:
- משפט no-teleportation, הקובע שלא ניתן להמיר קיוביט (שלמותו) לביטים קלאסיים; כלומר, לא ניתן "לקרוא" במלואו,
- משפט ללא שיבוט, המונע העתקת קיוביט שרירותית,
- משפט ללא מחיקה, המונע מחיקת קיוביט שרירותי,
- משפט ללא שידור, המונע מסירה של קיוביט שרירותי למספר נמענים, למרות שניתן להעביר אותו ממקום למקום (למשל באמצעות טלפורטציה קוונטית),
- משפט ללא הסתרה, המדגים את שימור המידע הקוונטי, משפטים אלו מוכיחים שמידע קוונטי בתוך היקום נשמר והם פותחים אפשרויות ייחודיות בעיבוד מידע קוונטי.
עיבוד מידע קוונטי
המצב של קיוביט מכיל את כל המידע שלו. מצב זה מתבטא לעתים קרובות כווקטור על כדור בלוך. ניתן לשנות מצב זה על ידי החלת טרנספורמציות ליניאריות או שערים קוונטיים עליהם. טרנספורמציות יחידתיות אלו מתוארות כסיבובים על כדור בלוך. בעוד שערים קלאסיים תואמים את הפעולות המוכרות של הלוגיקה הבוליאנית, שערים קוונטיים הם אופרטורים יחידתיים פיזיים.
בשל תנודתיותן של מערכות קוונטיות וחוסר האפשרות להעתיק מצבים, אחסון מידע קוונטי קשה הרבה יותר מאחסון מידע קלאסי. עם זאת, עם השימוש בתיקון שגיאות קוונטי עדיין ניתן לאחסן מידע קוונטי באופן אמין באופן עקרוני. קיומם של קודי תיקון שגיאות קוונטיים הוביל גם לאפשרות של חישוב קוונטי סובלני לתקלות.
ניתן לקודד ביטים קלאסיים לתצורות של קיוביטים ולאחר מכן לאחזר אותם, באמצעות שימוש בשערים קוונטיים. כשלעצמו, קיוביט בודד יכול להעביר לא יותר מחלק אחד של מידע קלאסי נגיש על הכנתו. זהו המשפט של הולבו. עם זאת, בקידוד סופר-צפוף, שולח, על ידי פעולה על אחד משני קיוביטים מסובכים, יכול להעביר למקלט שתי סיביות של מידע נגיש על מצבם המשותף.
ניתן להעביר מידע קוונטי בערוץ קוונטי, באנלוגי למושג ערוץ תקשורת קלאסי. להודעות קוונטיות יש גודל סופי, הנמדד בקיוביטים; לערוצים קוונטיים יש קיבולת ערוץ סופית, הנמדדת בקיוביטים לשנייה.
מידע קוונטי, ושינויים במידע קוונטי, ניתנים למדידה כמותית על ידי שימוש באנלוגיה של אנטרופיה של שאנון, הנקראת אנטרופיה פון נוימן.
במקרים מסוימים ניתן להשתמש באלגוריתמים קוונטיים לביצוע חישובים מהר יותר מאשר בכל אלגוריתם קלאסי מוכר. הדוגמה המפורסמת ביותר לכך היא האלגוריתם של שור שיכול להביא מספרים לזמן פולינומי, לעומת האלגוריתמים הקלאסיים הטובים ביותר שלוקחים זמן תת-מעריכי. מכיוון שהפריזציה היא חלק חשוב מהבטיחות של הצפנת RSA, האלגוריתם של שור עורר את התחום החדש של ההצפנה הפוסט-קוונטית שמנסה למצוא תוכניות הצפנה שנשארות בטוחות גם כאשר מחשבים קוונטיים פועלים. דוגמאות נוספות לאלגוריתמים המדגימים עליונות קוונטית כוללות את אלגוריתם החיפוש של גרובר, שבו האלגוריתם הקוונטי נותן מהירות ריבועית על פני האלגוריתם הקלאסי הטוב ביותר. דרגת המורכבות של בעיות הניתנות לפתרון יעיל על ידי מחשב קוונטי מכונה BQP.
הפצת מפתח קוונטי (QKD) מאפשרת העברה מאובטחת ללא תנאי של מידע קלאסי, בניגוד להצפנה קלאסית, שתמיד ניתן לשבור באופן עקרוני, אם לא בפועל. שים לב שנקודות עדינות מסוימות בנוגע לבטיחות של QKD עדיין נתונות לוויכוח חריף.
המחקר של כל הנושאים וההבדלים שלעיל כולל את תורת המידע הקוונטי.
קשר למכניקת הקוונטים
מכניקת קוונטים היא המחקר של האופן שבו מערכות פיזיקליות מיקרוסקופיות משתנות באופן דינמי בטבע. בתחום תורת המידע הקוונטי, המערכות הקוונטיות שנחקרו מופשטות הרחק מכל מקביל בעולם האמיתי. קיוביט עשוי להיות, למשל, פוטון במחשב קוונטי אופטי ליניארי, יון במחשב קוונטי יון לכוד, או שהוא עשוי להיות אוסף גדול של אטומים כמו במחשב קוונטי מוליך-על. ללא קשר למימוש הפיזי, הגבולות והמאפיינים של קיוביטים המשתמעים מתורת המידע הקוונטים מתקיימים שכן כל המערכות הללו מתוארות מתמטית על ידי אותו מנגנון של מטריצות צפיפות על פני המספרים המרוכבים. הבדל חשוב נוסף עם מכניקת הקוונטים הוא שבעוד שמכניקת הקוונטים חוקרת לעתים קרובות מערכות אינסופיות ממדים כגון מתנד הרמוני, תורת המידע הקוונטית עוסקת הן במערכות משתנים מתמשכים והן במערכות סופיות ממדים.
חישוב קוונטי
מחשוב קוונטי הוא סוג של חישוב הרותם את התכונות הקולקטיביות של מצבים קוונטיים, כגון סופרפוזיציה, הפרעות והסתבכות, לביצוע חישובים. המכשירים המבצעים חישובים קוונטיים ידועים בתור מחשבי קוונטים.: I-5 למרות שמחשבי קוונטים נוכחיים קטנים מכדי להתעלות על מחשבים רגילים (קלאסיים) עבור יישומים מעשיים, מאמינים שהם מסוגלים לפתור בעיות חישוביות מסוימות, כגון פירוק מספרים שלמים. (אשר עומדת בבסיס הצפנת RSA), מהירה משמעותית ממחשבים קלאסיים. חקר המחשוב הקוונטי הוא תת-תחום של מדעי המידע הקוונטי.
מחשוב קוונטי החל בשנת 1980 כאשר הפיזיקאי פול בניוף הציע מודל מכאני קוונטי של מכונת טיורינג. ריצ'רד פיינמן ויורי מנין הציעו מאוחר יותר שלמחשב קוונטי יש פוטנציאל לדמות דברים שמחשב קלאסי לא יכול לעשות. בשנת 1994, פיטר שור פיתח אלגוריתם קוונטי לפירוק מספרים שלמים עם פוטנציאל לפענח תקשורת מוצפנת RSA. בשנת 1998 יצרו אייזק צ'ואנג, ניל גרשנפלד ומארק קובינק את המחשב הקוונטי הראשון עם שני קיוביטים שיכול לבצע חישובים. למרות התקדמות ניסיונית מתמשכת מאז סוף שנות ה-1990, רוב החוקרים מאמינים ש"מחשוב קוונטי סובלני תקלות [הוא] עדיין חלום רחוק למדי." בשנים האחרונות גברה ההשקעה במחקר מחשוב קוונטי במגזר הציבורי והפרטי. ב-23 באוקטובר 2019, גוגל AI, בשיתוף עם מינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי של ארה"ב (NASA), טענה כי ביצעה חישוב קוונטי שלא ניתן לביצוע בכל מחשב קלאסי, אך האם טענה זו הייתה או עדיין תקפה הוא נושא של מחקר פעיל.
ישנם מספר סוגים של מחשבים קוונטיים (הידועים גם כמערכות מחשוב קוונטי), כולל מודל המעגלים הקוונטיים, מכונת טיורינג קוונטית, מחשב קוונטי אדיאבטי, מחשב קוונטי חד כיווני ואוטומטים תאיים קוונטיים שונים. המודל הנפוץ ביותר הוא המעגל הקוונטי, המבוסס על הסיבית הקוונטית, או "קיוביט", שהוא אנלוגי במידה מסוימת לסיבית בחישוב הקלאסי. קיוביט יכול להיות במצב קוונטי של 1 או 0, או בסופרפוזיציה של מצבי 1 ו-0. עם זאת, כאשר הוא נמדד, הוא תמיד 0 או 1; ההסתברות של כל אחת מהתוצאות תלויה במצב הקוונטי של הקיוביט מיד לפני המדידה.
המאמצים לבניית מחשב קוונטי פיזי מתמקדים בטכנולוגיות כגון טרנסמונים, מלכודות יונים ומחשבים קוונטיים טופולוגיים, שמטרתם ליצור קיוביטים באיכות גבוהה.: 2–13 קיוביטים אלו עשויים להיות מתוכננים אחרת, בהתאם למודל המחשוב של המחשב הקוונטי המלא. בין אם שערים לוגיים קוונטיים, חישול קוונטי או חישוב קוונטי אדיאבטי. ישנם כיום מספר מכשולים משמעותיים לבניית מחשבים קוונטיים שימושיים. קשה במיוחד לשמור על המצבים הקוונטיים של הקיוביטים, מכיוון שהם סובלים מדה-קוהרנטיות קוונטית ומנאמנות המדינה. לכן מחשבים קוונטיים דורשים תיקון שגיאות.
כל בעיה חישובית שניתן לפתור על ידי מחשב קלאסי יכולה להיפתר גם על ידי מחשב קוונטי. לעומת זאת, כל בעיה שניתן לפתור על ידי מחשב קוונטי יכולה להיפתר גם על ידי מחשב קלאסי, לפחות באופן עקרוני בהינתן מספיק זמן. במילים אחרות, מחשבים קוונטיים מצייתים לתזה של Church-Turing. המשמעות היא שבעוד שמחשבים קוונטיים אינם מספקים יתרונות נוספים על פני מחשבים קלאסיים מבחינת יכולת חישוב, לאלגוריתמים קוונטיים לבעיות מסוימות יש מורכבות זמן נמוכה משמעותית מאלגוריתמים קלאסיים מוכרים. יש לציין כי מאמינים כי מחשבים קוונטיים מסוגלים לפתור במהירות בעיות מסוימות שאף מחשב קלאסי לא יכול לפתור בכל פרק זמן אפשרי - הישג המכונה "עליונות קוונטית". חקר המורכבות החישובית של בעיות ביחס למחשבים קוונטיים ידוע בתור תורת המורכבות הקוונטית.
המודל הרווח של חישוב קוונטי מתאר את החישוב במונחים של רשת של שערים לוגיים קוונטיים. ניתן לחשוב על מודל זה כהכללה ליניארית-אלגברית מופשטת של מעגל קלאסי. מכיוון שמודל מעגלים זה מציית למכניקת הקוונטים, מאמינים כי מחשב קוונטי המסוגל להפעיל ביעילות מעגלים אלו ניתן למימוש פיזית.
לזיכרון המורכב מ-n סיביות מידע יש 2^n מצבים אפשריים. לוקטור המייצג את כל מצבי הזיכרון יש אפוא 2^n ערכים (אחד לכל מצב). וקטור זה נתפס כווקטור הסתברות ומייצג את העובדה שהזיכרון נמצא במצב מסוים.
בתצוגה הקלאסית, לערך אחד יהיה ערך של 1 (כלומר הסתברות של 100% להיות במצב זה) וכל שאר הערכים יהיו אפס.
במכניקת הקוונטים, ניתן להכליל וקטורים של הסתברות לאופרטורים של צפיפות. פורמליזם וקטור המצב הקוונטי מוצג בדרך כלל קודם משום שהוא פשוט יותר מבחינה רעיונית, ומכיוון שניתן להשתמש בו במקום פורמליזם מטריצת הצפיפות עבור מצבים טהורים, שבהם כל המערכת הקוונטית ידועה.
ניתן לתאר חישוב קוונטי כרשת של שערים ומדידות לוגיות קוונטיות. עם זאת, ניתן לדחות כל מדידה לסוף החישוב הקוונטי, אם כי דחיה זו עשויה לעלות בעלות חישובית, כך שרוב המעגלים הקוונטיים מתארים רשת המורכבת רק משערים לוגיים קוונטיים וללא מדידות.
כל חישוב קוונטי (שהוא, בפורמליזם לעיל, כל מטריצה יחידה על פני n קיוביטים) יכול להיות מיוצג כרשת של שערים לוגיים קוונטיים ממשפחה קטנה למדי של שערים. בחירה של משפחת שערים המאפשרת בנייה זו ידועה כסט שערים אוניברסלי, שכן מחשב שיכול להריץ מעגלים כאלה הוא מחשב קוונטי אוניברסלי. סט נפוץ אחד כזה כולל את כל השערים של קיוביט בודדים וכן את שער ה-CNOT מלמעלה. משמעות הדבר היא שניתן לבצע כל חישוב קוונטי על ידי ביצוע רצף של שערים של קיוביט בודדים יחד עם שערי CNOT. למרות שמערכת שערים זו היא אינסופית, ניתן להחליפו בסט שער סופי על ידי פנייה למשפט סולובי-קיטאיב.
אלגוריתמים קוונטיים
ההתקדמות במציאת אלגוריתמים קוונטיים מתמקדת בדרך כלל במודל המעגל הקוונטי הזה, אם כי קיימים חריגים כמו האלגוריתם האדיאבטי הקוונטי. ניתן לסווג אלגוריתמים קוונטיים באופן גס לפי סוג המהירות המושגת על פני אלגוריתמים קלאסיים תואמים.
אלגוריתמים קוונטיים המציעים יותר ממהירות פולינומית על פני האלגוריתם הקלאסי הידוע ביותר כוללים את האלגוריתם של שור לפירוק והאלגוריתמים הקוונטים הקשורים לחישוב לוגריתמים נפרדים, פתרון משוואת פל, ובאופן כללי יותר פתרון בעיית תת-הקבוצות הנסתרת עבור קבוצות סופיות אבליות. אלגוריתמים אלו תלויים בפרימיטיבי של התמרת פורייה הקוונטית. לא נמצאה הוכחה מתמטית שמראה שלא ניתן לגלות אלגוריתם קלאסי מהיר באותה מידה, אם כי זה נחשב לא סביר.[מקור בפרסום עצמי?] בעיות מסוימות של אורקל כמו הבעיה של סיימון ובעיית ברנשטיין-וזירני אכן נותנות זירוזים שניתן להוכיח, אם כי זה נמצא במודל השאילתות הקוונטי, שהוא מודל מוגבל שבו הרבה יותר קל להוכיח גבולות תחתונים ולא בהכרח מתורגם להאצות לבעיות מעשיות.
לבעיות אחרות, כולל הדמיית תהליכים פיסיקליים קוונטיים מכימיה ופיזיקה של מצב מוצק, הקירוב של פולינומים מסוימים של ג'ונס, והאלגוריתם הקוונטי עבור מערכות משוואות ליניאריות, יש אלגוריתמים קוונטיים שנראים נותנים האצות סופר פולינומיות והם מושלמים BQP. מכיוון שבעיות אלו הן BQP-comcomplete, אלגוריתם קלאסי מהיר באותה מידה עבורן ירמז שאף אלגוריתם קוונטי לא נותן מהירות סופר-פולינומית, מה שמאמין שהוא לא סביר.
כמה אלגוריתמים קוונטיים, כמו האלגוריתם והגברת משרעת של גרובר, נותנים הגברת מהירות פולינומית על פני אלגוריתמים קלאסיים מקבילים. למרות שהאלגוריתמים הללו נותנים מהירות ריבועית צנועה יחסית, הם ישימים באופן נרחב ובכך נותנים האצות למגוון רחב של בעיות. דוגמאות רבות להאצות קוונטיות הניתנות להוכחה עבור בעיות שאילתות קשורות לאלגוריתם של גרובר, כולל האלגוריתם של Brassard, Høyer ו-Tapp למציאת התנגשויות בפונקציות דו-על-אחד, המשתמש באלגוריתם של גרובר, ובאלגוריתם של Farhi, Goldstone וגוטמן להערכת NAND עצים, שהוא גרסה של בעיית החיפוש.
יישומים קריפטוגרפיים
יישום בולט של חישוב קוונטי הוא עבור התקפות על מערכות קריפטוגרפיות שנמצאות כעת בשימוש. פירוק מספרים שלמים, העומד בבסיס האבטחה של מערכות קריפטוגרפיות של מפתח ציבורי, נחשב בלתי אפשרי מבחינה חישובית עם מחשב רגיל עבור מספרים שלמים גדולים אם הם מכפלה של מספרים ראשוניים מעטים (למשל, מוצרים של שני ראשוניים בני 300 ספרות). לשם השוואה, מחשב קוונטי יכול לפתור את הבעיה הזו ביעילות באמצעות האלגוריתם של שור כדי למצוא את הגורמים שלו. יכולת זו תאפשר למחשב קוונטי לשבור רבות ממערכות ההצפנה הנמצאות בשימוש כיום, במובן זה שיהיה אלגוריתם זמן פולינומי (במספר הספרות של המספר השלם) לפתרון הבעיה. בפרט, רוב צופני המפתחות הציבוריים הפופולריים מבוססים על הקושי של הפקת מספרים שלמים או בעיית הלוגריתם הבדיד, את שניהם ניתנים לפתרון באמצעות האלגוריתם של שור. בפרט, ניתן לשבור את האלגוריתמים של RSA, Diffie–Hellman והעקומה האליפטית של Diffie–Hellman. אלה משמשים להגנה על דפי אינטרנט מאובטחים, דואר אלקטרוני מוצפן וסוגים רבים אחרים של נתונים. לשבירת אלה יהיו השלכות משמעותיות על הפרטיות והאבטחה האלקטרונית.
זיהוי מערכות הצפנה שעשויות להיות מאובטחות בפני אלגוריתמים קוונטיים הוא נושא שנחקר באופן פעיל בתחום ההצפנה הפוסט-קוונטית. חלק מהאלגוריתמים של המפתח הציבורי מבוססים על בעיות אחרות מלבד חלוקת המספרים השלמים ובעיות לוגריתם בדידות שעליהן חל האלגוריתם של שור, כמו מערכת ההצפנה של McEliece המבוססת על בעיה בתורת הקידוד. כמו כן, לא ידוע שמערכות קריפטו מבוססות סריג נשברות על ידי מחשבים קוונטיים, ומציאת אלגוריתם זמן פולינומי לפתרון בעיית תת-הקבוצות הנסתרות הדו-הדרלית, שתשבור מערכות קריפטו מבוססות סריג רבות, היא בעיה פתוחה שנחקרה היטב. הוכח כי יישום האלגוריתם של גרובר לשבירת אלגוריתם סימטרי (מפתח סודי) בכוח גס דורש זמן השווה בערך ל-2n/2 הפעלות של האלגוריתם ההצפנה הבסיסי, בהשוואה ל-2n בערך במקרה הקלאסי, כלומר אורכי מפתח סימטריים הם חציית למעשה: ל-AES-256 תהיה אותה אבטחה נגד התקפה באמצעות האלגוריתם של גרובר שיש ל-AES-128 נגד חיפוש בכוח גס קלאסי (ראה גודל מפתח).
הצפנה קוונטית עשויה למלא חלק מהפונקציות של הצפנת מפתח ציבורי. לכן, מערכות הצפנה מבוססות קוונטיות יכולות להיות מאובטחות יותר ממערכות מסורתיות נגד פריצה קוונטית.
בעיות חיפוש
הדוגמה המוכרת ביותר לבעיה המאפשרת מהירות קוונטית פולינומית היא חיפוש לא מובנה, מציאת פריט מסומן מתוך רשימה של n פריטים במסד נתונים. ניתן לפתור זאת על ידי האלגוריתם של גרובר באמצעות שאילתות O(sqrt(n)) למסד הנתונים, פחות ריבועית מאשר שאילתות אומגה(n) הנדרשות עבור אלגוריתמים קלאסיים. במקרה זה, היתרון לא רק ניתן להוכחה אלא גם אופטימלי: הוכח שהאלגוריתם של גרובר נותן את ההסתברות המקסימלית האפשרית למצוא את האלמנט הרצוי עבור כל מספר של חיפושי אורקל.
לבעיות שניתן לטפל בהן באמצעות האלגוריתם של גרובר יש את המאפיינים הבאים:
- אין מבנה שניתן לחיפוש באוסף התשובות האפשריות,
- מספר התשובות האפשריות לבדיקה זהה למספר הכניסות לאלגוריתם, ו
- קיימת פונקציה בוליאנית שמעריכה כל קלט וקובעת אם זו התשובה הנכונה
עבור בעיות עם כל המאפיינים הללו, זמן הריצה של האלגוריתם של גרובר במחשב קוונטי משתלם כשורש הריבועי של מספר הכניסות (או האלמנטים במסד הנתונים), בניגוד לקנה מידה ליניארי של אלגוריתמים קלאסיים. מחלקה כללית של בעיות עליהן ניתן ליישם את האלגוריתם של גרובר היא בעיית סיפוק בוליאנית, כאשר מסד הנתונים שדרכו האלגוריתם חוזר הוא זה של כל התשובות האפשריות. דוגמה ויישום (אפשרי) לכך הוא מפצח סיסמאות שמנסה לנחש סיסמה. צפנים סימטריים כגון Triple DES ו-AES פגיעים במיוחד להתקפה מסוג זה.[דרוש ציטוט] יישום זה של מחשוב קוונטי הוא עניין מרכזי של סוכנויות ממשלתיות.
הדמיית מערכות קוונטיות
מכיוון שהכימיה והננוטכנולוגיה מסתמכות על הבנת מערכות קוונטיות, ואי אפשר לדמות מערכות כאלה בצורה יעילה באופן קלאסי, רבים מאמינים שסימולציה קוונטית תהיה אחד היישומים החשובים ביותר של מחשוב קוונטי. ניתן להשתמש בסימולציה קוונטית גם כדי לדמות התנהגות של אטומים וחלקיקים בתנאים חריגים כמו התגובות בתוך מתנגש. סימולציות קוונטיות עשויות לשמש כדי לחזות נתיבים עתידיים של חלקיקים ופרוטונים תחת סופרפוזיציה בניסוי הכפול.[דרוש ציטוט] כ-2% מתפוקת האנרגיה העולמית השנתית משמשת לקיבוע חנקן לייצור אמוניה לתהליך הבר בחקלאות תעשיית הדשנים בעוד אורגניזמים טבעיים מייצרים גם אמוניה. ניתן להשתמש בהדמיות קוונטיות כדי להבין את התהליך הזה שמגדיל את הייצור.
חישול קוונטי ואופטימיזציה אדיאבטית
חישול קוונטי או חישוב קוונטי אדיאבטי מסתמך על המשפט האדיאבטי כדי לבצע חישובים. מערכת ממוקמת במצב הקרקע עבור המילטון פשוט, אשר מתפתח לאט לאט למילטון מסובך יותר שמצב הקרקע שלו מייצג את הפתרון לבעיה המדוברת. המשפט האדיאבטי קובע שאם האבולוציה תהיה איטית מספיק המערכת תישאר במצב היסוד שלה כל הזמן במהלך התהליך.
למידת מכונה
מכיוון שמחשבים קוונטיים יכולים לייצר פלטים שמחשבים קלאסיים אינם יכולים לייצר ביעילות, ומכיוון שחישוב קוונטי הוא ביסודו אלגברי ליניארי, חלקם מביעים תקווה בפיתוח אלגוריתמים קוונטיים שיכולים לזרז משימות למידת מכונה. לדוגמה, האלגוריתם הקוונטי למערכות משוואות ליניאריות, או "אלגוריתם HHL", הנקרא על שם מגליו הארו, חסידים ולויד, מספק מהירות על פני מקבילים קלאסיים. כמה קבוצות מחקר בחנו לאחרונה את השימוש בחומרת חישול קוונטית לאימון מכונות בולצמן ורשתות עצביות עמוקות.
ביולוגיה חישובית
בתחום הביולוגיה החישובית, מחשוב קוונטי מילא תפקיד גדול בפתרון בעיות ביולוגיות רבות. אחת הדוגמאות הידועות תהיה בגנומיקה חישובית וכיצד המחשוב הפחית באופן דרסטי את הזמן לרצף גנום אנושי. בהתחשב באופן שבו ביולוגיה חישובית משתמשת במודלים ואחסון נתונים גנריים, היישומים שלה לביולוגיה חישובית צפויים להתעורר גם כן.
עיצוב תרופות בעזרת מחשב וכימיה יוצרת
מודלים של כימיה יצירתית עמוקה מופיעים ככלים רבי עוצמה לזרז גילוי תרופות. עם זאת, הגודל והמורכבות העצומים של המרחב המבני של כל המולקולות האפשריות דמויות תרופה מציבים מכשולים משמעותיים, שעליהם ניתן להתגבר בעתיד על ידי מחשבים קוונטיים. מחשבים קוונטיים טובים באופן טבעי לפתרון בעיות קוונטיות מורכבות בגוף רבים, ולכן עשויים להיות מכשיריים ביישומים הכוללים כימיה קוונטית. לכן, אפשר לצפות שמודלים גנרטיביים משופרים קוונטיים, כולל GANs קוונטיים, עשויים בסופו של דבר להתפתח לאלגוריתמים אולטימטיביים של כימיה גנרטיבית. כבר ניתן לאמן ארכיטקטורות היברידיות המשלבות מחשבים קוונטיים עם רשתות קלאסיות עמוקות, כגון קוונטים וריאציונליים אוטומטיים, באמצעות מחשלים זמינים מסחרית ולהשתמש בהם ליצירת מבנים מולקולריים חדשים דמויי תרופה.
פיתוח מחשבים קוונטיים פיזיים
אתגרים
ישנם מספר אתגרים טכניים בבניית מחשב קוונטי בקנה מידה גדול. הפיזיקאי דייוויד דיווינצ'נזו מנה את הדרישות הללו למחשב קוונטי מעשי:
- ניתן להרחבה פיזית כדי להגדיל את מספר הקיוביטים,
- קוויביטים שניתן לאתחל לערכים שרירותיים,
- שערים קוונטיים מהירים יותר מזמן דה-קוהרנטיות,
- סט שערים אוניברסלי,
- קוויביטים שניתן לקרוא בקלות.
קשה מאוד למצוא חלקים למחשבי קוונטים. מחשבים קוונטיים רבים, כמו אלה שנבנו על ידי גוגל ויבמ, זקוקים להליום-3, תוצר לוואי של מחקר גרעיני, וכבלים מיוחדים מוליכים מתוצרת החברה היפנית Coax Co.
השליטה במערכות מרובות קיוביט דורשת יצירה ותיאום של מספר רב של אותות חשמליים ברזולוציית תזמון הדוקה ודטרמיניסטית. זה הוביל לפיתוח של בקרי קוונטים המאפשרים התממשקות עם הקיוביטים. קנה המידה של מערכות אלה כדי לתמוך במספר הולך וגדל של קיוביטים הוא אתגר נוסף.
דקוהרנטיות קוונטית
אחד האתגרים הגדולים ביותר הכרוכים בבניית מחשבים קוונטיים הוא שליטה או הסרה של דה-קוהרנטיות קוונטית. זה בדרך כלל אומר לבודד את המערכת מסביבתה שכן אינטראקציות עם העולם החיצון גורמות למערכת להתנתק. עם זאת, קיימים גם מקורות אחרים של דה-קוהרנטיות. דוגמאות כוללות את השערים הקוונטיים, ואת תנודות הסריג וספין תרמו-גרעיני רקע של המערכת הפיזית המשמשת ליישום הקיוביטים. דה-קוהרנטיות היא בלתי הפיכה, מכיוון שהיא למעשה לא-אחדותית, והיא בדרך כלל משהו שיש לשלוט בו במידה רבה, אם לא להימנע ממנו. זמני דה-קוהרנטיות עבור מערכות מועמדות בפרט, זמן הרפיה רוחבי T2 (עבור טכנולוגיית NMR ו-MRI, הנקרא גם זמן ביטול הפאזה), נע בדרך כלל בין ננו-שניות לשניות בטמפרטורה נמוכה. נכון לעכשיו, חלק מהמחשבים הקוונטים דורשים את הקיוביטים שלהם לקרר ל-20 מילקלווין (בדרך כלל באמצעות מקרר דילול) על מנת למנוע דה-קוהרנטיות משמעותית. מחקר משנת 2020 טוען שקרינה מייננת כמו קרניים קוסמיות יכולה בכל זאת לגרום למערכות מסוימות להתפרק בתוך אלפיות שניות.
כתוצאה מכך, משימות שגוזלות זמן עלולות להפוך כמה אלגוריתמים קוונטיים לבלתי ניתנים להפעלה, שכן שמירה על מצב הקיוביטים למשך זמן ארוך מספיק תהרוס בסופו של דבר את הסופרפוזיציות.
נושאים אלו קשים יותר לגישות אופטיות מכיוון שטווחי הזמן קצרים בסדרי גודל וגישה המצוטטת לעתים קרובות להתגבר עליהם היא עיצוב דופק אופטי. שיעורי השגיאות הם בדרך כלל פרופורציונליים ליחס בין זמן הפעולה לזמן הדה-קוהרנטיות, ומכאן שכל פעולה חייבת להסתיים הרבה יותר מהר מזמן ה-Decoherence.
כפי שמתואר במשפט הסף הקוונטי, אם שיעור השגיאות קטן מספיק, סביר להניח שניתן להשתמש בתיקון שגיאות קוונטי כדי לדכא שגיאות וחוסר קוהרנטיות. זה מאפשר לזמן החישוב הכולל להיות ארוך יותר מזמן הדקוהרנטיות אם סכימת תיקון השגיאות יכולה לתקן שגיאות מהר יותר ממה שהדה-קוהרנטיות מציגה אותן. נתון שצוטט לעתים קרובות עבור שיעור השגיאה הנדרש בכל שער עבור חישוב סובלני לתקלות הוא 10-3, בהנחה שהרעש מפנה את הקוטב.
עמידה בתנאי מדרגיות זה אפשרי עבור מגוון רחב של מערכות. עם זאת, השימוש בתיקון שגיאות מביא עמו עלות של מספר גדל מאוד של קיוביטים נדרשים. המספר הנדרש לפירוק מספרים שלמים באמצעות האלגוריתם של שור הוא עדיין פולינום, ונחשב שהוא בין L ל-L2, כאשר L הוא מספר הספרות במספר שיש לחלק אותו; אלגוריתמים לתיקון שגיאות ינפחו נתון זה בגורם נוסף של L. עבור מספר של 1000 סיביות, הדבר מרמז על צורך בכ-104 סיביות ללא תיקון שגיאות. עם תיקון שגיאות, הנתון יעלה לכ-107 סיביות. זמן החישוב הוא כ-L2 או כ-107 צעדים וב-1 מגה-הרץ, כ-10 שניות.
גישה שונה מאוד לבעיית היציבות-דה-קוהרנטיות היא ליצור מחשב קוונטי טופולוגי עם אושיונים, חלקיקים למחצה המשמשים כחוטים ומסתמכים על תורת הצמה ליצירת שערים לוגיים יציבים.
עליונות קוונטית
עליונות קוונטית הוא מונח שטבע ג'ון פרסקיל המתייחס להישג ההנדסי של הדגמה שמכשיר קוונטי הניתן לתכנות יכול לפתור בעיה מעבר ליכולות של מחשבים קלאסיים חדישים. הבעיה לא צריכה להיות שימושית, ולכן יש הרואים במבחן העליונות הקוונטית רק אמת מידה עתידית פוטנציאלית.
באוקטובר 2019, Google AI Quantum, בעזרת נאס"א, הפכה לראשונה שטענה שהשיגה עליונות קוונטית על ידי ביצוע חישובים במחשב הקוונטי של השקמה יותר מפי 3,000,000 מהר יותר ממה שניתן היה לעשות ב-Summit, הנחשב בדרך כלל למהיר בעולם. מַחשֵׁב. טענה זו ערערה לאחר מכן: יבמ הצהירה ש-Summit יכולה לבצע דגימות הרבה יותר מהר ממה שנטען, ומאז חוקרים פיתחו אלגוריתמים טובים יותר לבעיית הדגימה המשמשת לטענה לעליונות קוונטית, מה שמעניק צמצומים משמעותיים או סגירת הפער בין השקמה ל מחשבי על קלאסיים.
בדצמבר 2020, קבוצה ב-USTC הטמיעה סוג של דגימת בוסון על 76 פוטונים עם מחשב קוונטי פוטוני Jiuzhang כדי להדגים עליונות קוונטית. המחברים טוענים שמחשב-על עכשווי קלאסי ידרוש זמן חישוב של 600 מיליון שנה כדי ליצור את מספר הדגימות שהמעבד הקוונטי שלהם יכול ליצור ב-20 שניות. ב-16 בנובמבר 2021 בפסגת המחשוב הקוונטי הציגה יבמ מעבד 127 קיוביטים בשם IBM Eagle.
יישומים פיזיים
להטמעה פיזית של מחשב קוונטי, נרדף אחר מועמדים רבים ושונים, ביניהם (המובחנים על ידי המערכת הפיזית המשמשת למימוש הקיוביטים):
- מחשוב קוונטי מוליך-על (קווביט מיושם על ידי מצב של מעגלים מוליכי-על קטנים, צומת ג'וזפסון)
- מחשב קוונטי יונים לכודים (קיוביט מיושם על ידי המצב הפנימי של יונים לכודים)
- אטומים ניטרליים בסריגים אופטיים (קיוביט מיושם על ידי מצבים פנימיים של אטומים ניטרליים הכלואים בסורג אופטי)
- מחשב נקודות קוונטי, מבוסס ספין (למשל המחשב הקוונטי Loss-DiVincenzo) (קווביט נתון על ידי מצבי הספין של אלקטרונים לכודים)
- מחשב נקודה קוונטית, מבוסס מרחב (קווביט נתון על ידי מיקום האלקטרון בנקודה קוונטית כפולה)
- מחשוב קוונטי באמצעות בארות קוונטיות מהונדסות, שיכולות באופן עקרוני לאפשר בנייה של מחשבים קוונטיים הפועלים בטמפרטורת החדר
- חוט קוונטי מצורף (קווביט מיושם על ידי זוג חוטים קוונטיים מחוברים על ידי מגע נקודתי קוונטי)
- מחשב קוונטי תהודה מגנטית גרעינית (NMRQC) מיושם עם תהודה מגנטית גרעינית של מולקולות בתמיסה, כאשר קיוביטים מסופקים על ידי ספינים גרעיניים בתוך המולקולה המומסת ונבדקים בגלי רדיו
- מחשבים קוונטיים NMR מצב מוצק קיין (קיוביט מומש על ידי מצב הספין הגרעיני של תורמי זרחן בסיליקון)
- מחשבים קוונטיים אלקטרוניים על הליום (קווביט הוא ספין האלקטרונים)
- אלקטרודינמיקה קוונטית של חלל (CQED) (קיוביט מסופק על ידי המצב הפנימי של אטומים לכודים המצורפים לחללים עדינים)
- מגנט מולקולרי (קווביט נתון על ידי מצבי ספין)
- מחשב קוונטי ESR מבוסס פולרן (קווביט המבוסס על ספין אלקטרוני של אטומים או מולקולות העטופים בפולרנים)
- מחשב קוונטי אופטי לא ליניארי (קווביטים המוגשים על ידי עיבוד מצבים של מצבי אור שונים דרך אלמנטים ליניאריים ולא ליניאריים כאחד)
- מחשב קוונטי אופטי לינארי (קווביטים המוגשים על ידי עיבוד מצבים של מצבי אור שונים דרך אלמנטים ליניאריים כגון מראות, מפצלי אלומה ומזזי פאזה)
- מחשב קוונטי מבוסס יהלומים (קיוביט שמומש על ידי ספין אלקטרוני או גרעיני של מרכזי חנקן פנויים ביהלומים)
- מחשב קוונטי מבוסס קונדנסט Bose-Instein
- מחשב קוונטי מבוסס טרנזיסטור - מחשבי קוואנטים מחרוזים עם סחיטה של חורים חיוביים באמצעות מלכודת אלקטרוסטטית
- מחשבים קוונטיים מבוססי גביש אנאורגניים המסוימים באדמה נדירה-מתכת-יונים (קיוביט מומש על ידי המצב האלקטרוני הפנימי של דופטנטים בסיבים אופטיים)
- מחשבים קוונטיים המבוססים על ננוספרות דמוי מתכת פחמן
- המספר הרב של המועמדים מוכיח שהמחשוב הקוונטי, למרות התקדמות מהירה, עדיין בחיתוליו.
ישנם מספר מודלים של מחשוב קוונטי, הנבדלים על ידי האלמנטים הבסיסיים שבהם החישוב מפורק. עבור יישומים מעשיים, ארבעת המודלים הרלוונטיים של חישוב הם:
- מערך שערים קוונטיים (חישוב מפורק לרצף של שערים קוונטיים של כמה קיוביטים)
- מחשב קוונטי חד כיווני (חישוב מפורק לרצף של מדידות של קיוביט אחד המופעלות על מצב התחלתי או מצב אשכול מסובך מאוד)
- מחשב קוונטי אדיאבטי, המבוסס על חישול קוונטי (חישוב שפורק לטרנספורמציה מתמשכת איטית של המילטון התחלתי להמילטוניאן סופי, שמצבי הקרקע שלו מכילים את הפתרון)
- מחשב קוונטי טופולוגי (חישוב מפורק לקליעת כל אחד בסריג דו-ממדי)
מכונת הטיורינג הקוונטית חשובה תיאורטית אך היישום הפיזי של מודל זה אינו בר ביצוע. כל ארבעת דגמי החישוב הוכחו כשווים ערך; כל אחד מהם יכול לדמות את השני ללא יותר מתקורה פולינומית.
כדי להכיר את עצמכם באופן מפורט עם תכנית הלימודים להסמכה תוכלו להרחיב ולנתח את הטבלה שלהלן.
תוכנית הלימודים של EITC/QI/QIF של מידע קוונטי יסודות ההסמכה מתייחסת לחומרים דידקטיים בגישה פתוחה בצורת וידאו. תהליך הלמידה מחולק למבנה שלב אחר שלב (תוכניות -> שיעורים -> נושאים) המכסה חלקים רלוונטיים בתכנית הלימודים. ניתן גם ייעוץ ללא הגבלה עם מומחי תחום.
לפרטים על הליך ההסמכה בדוק איך זה עובד?.
הערות ראשיות להרצאה
הערות הרצאה של U. Vazirani:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
הערות הרצאה תומכות
ל. ג'אק ואח'. הערות הרצאה (עם חומרים משלימים):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
ספר לימוד תומך ראשי
ספר לימוד חישוב קוונטי ומידע קוונטי (נילסן, צ'ואנג):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
הערות הרצאה נוספות
הערות הרצאה של J. Preskill:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
הערות ההרצאה של א.צ'יילדס:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
הערות ההרצאה של ס. אהרונסון:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
הערות ההרצאה של ר' דה וולף:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
ספרי לימוד מומלצים נוספים
חישוב קלאסי וקוונטי (Kitaev, Shen, Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
מחשוב קוונטי מאז דמוקריטוס (ארונסון)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
תורת המידע הקוונטי (וואטרוס)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
תורת המידע הקוונטי (פראי)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
הורד את חומרי ההכנה המלאים ללמידה עצמית לא מקוונת לתוכנית EITC/QI/QIF Fundamentals Information Quantum בקובץ PDF