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量子コンピューティングと古典的コンピューティング：なぜこれほど多くの数が必要なのか。量子コンピューティングの原理量子コンピューティング

一般的なブロックチェーンブームとあらゆる種類のビッグデータのために、別の有望なトピックが技術ニュースの最初の行である量子コンピューティングを残しました。ちなみに、彼らは悪名高いブロックチェーンから情報セキュリティまで、一度に複数のIT領域を覆すことができます。次の2つの記事では、SberbankとSberbank-Technologiesが、量子コンピューティングの優れた点と、現在それらを使用して何をしているのかを説明します。

従来の計算：AND、OR、NOT

量子コンピューティングを理解するには、最初に古典的な計算をブラッシュアップする価値があります。ここで、処理される情報の単位は少しです。各ビットは、0または1の2つの可能な状態のいずれかになります。Nビットのレジスタには、2つのNの可能な状態の組み合わせのいずれかを含めることができ、それらのシーケンスとして表されます。

情報を処理および変換するために、ブール代数からのビット演算が使用されます。基本的な操作は、シングルビットのNOTとダブルビットのANDおよびORです。ビット単位の演算は、真理値表を介して記述されます。これらは、入力引数と受信値の対応を示しています。

古典的な計算アルゴリズムは、一連の順次ビット演算です。機能要素の図（SFE）の形式でグラフィカルに再現するのが最も便利です。ここで、各操作には独自の指定があります。これは、2ビットの等価性をテストするCFEの例です。

量子コンピューティング。物理的根拠

それでは、新しいトピックに移りましょう。量子コンピューティングは、量子物理学のプロセスに基づく古典的なアルゴリズムの代替手段です。他の粒子との相互作用がなければ（つまり、測定の瞬間まで）、電子は原子の軌道に固有の座標を持たず、軌道のすべての点に同時に配置されると言われています。電子が位置する領域は、電子雲と呼ばれます。 2つのスリットを使用したよく知られた実験では、1つの電子が両方のスリットを同時に通過し、それ自体に干渉します。この不確かさを測定する場合にのみ崩壊し、電子の座標が明確になります。

量子コンピューティングに固有の測定の確率的性質は、多くのアルゴリズムの根底にあります。たとえば、非構造化データベースでの検索などです。このタイプのアルゴリズムは、正しい結果の振幅を段階的に増加させ、最大の確率で出力でそれを取得できるようにします。

量子ビット

量子コンピューティングでは、量子オブジェクトの物理的特性は、いわゆるキュービット（qビット）で実装されます。古典的なビットは、0または1の1つの状態のみになります。測定前のキュービットは両方の状態に同時に存在する可能性があるため、通常、式a |0⟩+ b |1⟩で表されます。ここで、AとBは複素数です。条件を満たす| A | 2 + | B | 2 = 1。キュービットの測定は、その状態を基本的なものの1つ（0または1）に即座に「崩壊」させます。この場合、「雲」は点に崩壊し、初期状態が破壊され、それに関するすべての情報が取り返しのつかないほど失われます。

このプロパティの使用法の1つは、シュレディンガーの猫が真の乱数ジェネレーターであるということです。キュービットは、同じ確率で測定結果が1または0になる状態になります。この状態は次のように説明されます。

量子および古典的コンピューティング。最初のラウンド

基本から始めましょう。計算用の初期データのセットがあり、長さNのベクトルでバイナリ形式で表されます。

従来の計算では、2 n個のデータバリアントのうち1つだけがコンピュータのメモリにロードされ、このバリアントの場合、関数の値が計算されます。結果として、一 2n個の可能なデータセットのうち。

初期データの2nの組み合わせはすべて、量子コンピューターのメモリに同時に表示されます。変換は、これらすべての組み合わせに一度に適用されます。その結果、1回の操作で関数を計算します すべてのためにデータセットの2n個の可能なバリアント（最終的に測定すると、1つのソリューションしか得られませんが、それについては後で詳しく説明します）。

古典的コンピューティングと量子コンピューティングはどちらも論理変換を使用します- ゲート..。従来の計算では、入力値と出力値は異なるビットに格納されます。つまり、ゲートの入力の数は出力の数と異なる場合があります。

本当の問題を考えてみましょう。 2ビットが同等かどうかを判断する必要があります。

古典的な計算で、出力で1が得られる場合、それらは同等です。それ以外の場合は、そうではありません。

それでは、量子コンピューティングを使用してこの問題を表現しましょう。それらの中で、すべての変換ゲートは入力と同じ数の出力を持っています。これは、変換の結果が新しい値ではなく、現在の値の状態の変化であるという事実によるものです。

この例では、1番目と2番目のキュービットの値を比較しています。結果はゼロキュービット、つまりフラグキュービットになります。このアルゴリズムは、基本状態-0または1にのみ適用されます。量子変換の順序は次のとおりです。

「Not」ゲートでキュービットフラグを操作し、1に設定します。
2キュービットゲート「ControlledNot」を2回使用します。このゲートは、変換に参加している2番目のキュービットが状態1にある場合にのみ、フラグキュービット値を反対に反転します。
ゼロキュービットの測定。結果が1の場合、最初のキュービットと2番目のキュービットの両方が状態1（フラグキュービットの値が2回変更された）または状態0（フラグキュービットが状態1のまま）のいずれかになります。それ以外の場合、キュービットは異なる状態にあります。

次のレベル。パウリ量子1量子ビットゲート

より深刻な問題で、古典的コンピューティングと量子コンピューティングを比較してみましょう。このためには、もう少し理論的な知識が必要です。

(1|0⟩ + 0|1⟩)*(1|0⟩ + 0|1⟩) = 1|00⟩ + 0|01⟩ + 0|10⟩ + 0|11⟩ = |00⟩.

量子アルゴリズムで情報を処理および変換するために、いわゆる量子ゲート（ゲート）が使用されます。それらは行列として表されます。ゲートを使用した結果を得るには、キュービットを特徴付けるベクトルにゲート行列を乗算する必要があります。ベクトルの最初の座標は|0⟩の前の係数であり、2番目の座標は|1⟩の前の係数です。メインの1量子ビットゲートのマトリックスは次のようになります。

そして、これがNotゲートの使用例です。

X * |0⟩= X *（1 |0⟩+ 0 |1⟩）= 0 |0⟩+ 1 |1⟩= |1⟩

基底状態の前の因子は振幅と呼ばれ、複素数です。複素数の絶対値は、実数部と虚数部の2乗の合計の根に等しくなります。基本状態の前の振幅のモジュラスの2乗は、キュービットを測定するときにこの基本状態を取得する確率に等しいため、振幅のモジュラスの2乗の合計は常に1です。変換には任意の行列を使用できます。キュービット上ですが、ノルム（長さ）ベクトルは常に1でなければならない（すべての結果の確率の合計は常に1である）ため、変換ではベクトルのノルムを保持する必要があります。これは、変換がユニタリでなければならず、対応する行列がユニタリでなければならないことを意味します。ユニタリ変換は可逆であり、UU†= Iであることを思い出してください。

キュービットを使ったより視覚的な作業のために、それらはブロッホ球上のベクトルとして描かれています。この解釈では、1キュービットゲートは、軸の1つを中心としたキュービットベクトルの回転を表します。たとえば、ゲートNot（X）は、キュービットベクトルをPiだけX軸を中心に回転させます。したがって、厳密に上向きのベクトルで表される状態| 0>は、厳密に下向きの状態| 1>になります。ブロッホ球上のキュービットの状態は、式cos（θ/ 2）|0⟩+ e iϕ sin（θ/ 2）|1⟩によって決定されます。

量子2量子ビットゲート

アルゴリズムを構築するには、1キュービットのゲートのみが必要です。特定の条件に応じて変換を実行するゲートが必要です。そのような主なツールは、CNOT2量子ビットゲートです。このゲートは2つのキュービットに適用され、最初のキュービットが状態|1⟩にある場合にのみ2番目のキュービットを反転します。 CNOTゲートマトリックスは次のようになります。

そして、これがアプリケーションの例です：

CNOT * |10⟩= CNOT *（0 |00⟩+ 0 |01⟩+ 1 |10⟩+ 0 |11⟩）= 0 |00⟩+ 0 |01⟩+ 1 |11⟩+ 1 |10⟩= |11⟩

CNOTゲートを使用することは、従来のXOR演算を実行し、結果を2番目のキュービットに書き込むことと同じです。実際、XOR演算子とCNOT演算子の真理値表を見ると、次のような対応が見られます。

XOR			CNOT
0	0	0	00	00
0	1	1	01	01
1	0	1	10	11
1	1	0	11	10

CNOTゲートには興味深い特性があります。適用後、初期状態に応じて、キュービットが絡まったり解けたりします。これについては、次の記事の量子並列処理のセクションで説明します。

アルゴリズムの構築-古典的および量子的実装

量子ゲートの完全な兵器庫が整ったら、量子アルゴリズムの開発を開始できます。グラフィカル表現では、キュービットは直線、つまりゲートが重ね合わされた「文字列」で表されます。 1キュービットのパウリゲートは通常の正方形で表され、その中に回転軸が描かれています。 CNOTゲートはもう少し複雑に見えます。

CNOTゲートアプリケーションの例：

アルゴリズムの最も重要なステップの1つは、結果を測定することです。測定は通常、矢印の付いた円弧スケールと、測定が行われている軸の周りの指定によって示されます。

それでは、引数に3を追加する古典的で量子アルゴリズムを構築してみましょう。

列内の通常の数値の合計は、各桁で2つのアクションの実行を意味します。つまり、桁自体の桁の合計と、前の操作からの転送があった場合の結果の合計です。

数値の2進表現では、加算演算は同じアクションで構成されます。 Pythonコードは次のとおりです。

Arg =＃引数を設定しますresult =＃結果を初期化しますcarry1 = arg＆0x1＃0b11で追加します。したがって、引数の最下位ビット= 1 result = arg ^ 0x1＃の場合、最下位ビットからのキャリーが表示されます。最下位ビットcarry2 =キャリー1 | arg＃0b11から追加します。これにより、引数の最上位ビットが1の場合、または最下位ビットからのキャリーがあった場合に最上位ビットからのキャリーが表示されます。result= arg ^ 0x1＃最上位ビットの結果を追加します^ =キャリー1 ＃最下位ビットの結果からキャリーを適用^ =キャリー2＃最上位ビットの印刷からキャリーを適用（結果）
それでは、量子コンピューター用の同様のプログラムを開発してみましょう。

このスキームでは、最初の2つのキュービットが引数、次の2つがキャリー、残りの3つが結果です。これがアルゴリズムの仕組みです。

バリアへの最初のステップとして、引数を古典的なケースと同じ状態-0b11に設定します。
CNOT演算子を使用して、最初の転送の値を計算します。演算arg＆1の結果は、argが1の場合にのみ、1に等しくなります。この場合、2番目のキュービットを反転します。
次の2つのゲートは、最下位ビットの追加を実装します。キュービット4を|1⟩状態に転送し、XOR結果を書き込みます。
大きな長方形は、CCNOTゲート（CNOTゲートの拡張）を示します。このゲートには2つの制御量子ビットがあり、最初の2つが状態| 1の場合にのみ、3番目の量子ビットが反転されます。 2つのCNOTゲートと1つのCCNOTの組み合わせにより、従来のキャリー2 =キャリー1 |の結果が得られます。 arg。最初の2つのゲートは、一方が1の場合、キャリーを1に設定し、CCNOTゲートは、両方が1に等しい場合にケースを処理します。
シニアキュービットと転送キュービットを合計します。

中間調査結果

両方の例を実行すると、同じ結果が得られます。量子コンピューターでは、量子アセンブラーコードに追加のコンパイルを実行し、実行のためにクラウドに送信する必要があるため、これにはさらに時間がかかります。量子コンピューティングの使用は、それらの基本操作（ゲート）を実行する速度が古典的なモデルよりも何倍も遅い場合に意味があります。

専門家の測定によると、1つのゲートの実行には約1ナノ秒かかります。したがって、量子コンピューターのアルゴリズムは、古典的なものをコピーするのではなく、量子力学の独自の特性を最大限に活用する必要があります。次の記事では、そのような主要な特性の1つである量子並列処理について説明し、一般的な量子最適化について説明します。次に、量子コンピューティングに最適な領域を特定し、それらのアプリケーションについて説明します。

材料に基づく

コンピューターはコンパクトになり、タスクの処理が以前よりもはるかに高速になりましたが、タスク自体は同じままです。ビットのシーケンスを操作し、このシーケンスを有用な計算結果として解釈します。ビットは情報の基本単位であり、通常、デジタルコンピュータでは0または1として表されます。各古典的なビットは、ハードディスクの磁化やコンデンサの電荷などの巨視的な物理システムによって物理的に実装されます。たとえば、で構成されるテキスト NS文字は、一般的なコンピュータのハードドライブに保存され、次の文字列で表されます。 8nゼロと1。これは、古典的なコンピューターと量子コンピューターの根本的な違いがあるところです。古典コンピュータは古典物理学のよく理解されている法則に従いますが、量子コンピュータは量子力学的現象（特に 量子干渉）情報を処理するまったく新しい方法を実装する。量子コンピューティング：賛否両論。エド。 V.A. Sadovnichy。 -イジェフスク：出版社「UdmurtUniversity」、1999年。-212ページ。

量子コンピューターでは、情報の基本単位（量子ビットまたは キュービット）はバイナリではなく、本質的にクォータナリです。キュービットのこの特性は、古典物理学の法則とは根本的に異なる量子力学の法則への従属の直接的な結果として生じます。キュービットは、古典的なビットのように論理0または1に対応する状態だけでなく、混合または 重ね合わせこれらの古典的な状態。言い換えると、キュービットは0として、1として、同時に0と1として存在することができます。この場合、各状態にある確率を表す特定の数値係数を指定できます。 ..。 Belonuchkin V.E.、Zaikin D.A.、Tsipenyuk Yu.M.、Fundamentals of Physics

量子コンピューターを構築する可能性についての考えは、R。ファインマン1982-1986の作品にさかのぼります。デジタルコンピュータで量子システムの進化を計算する問題を検討して、ファインマンはこの問題が「解決できない」ことを発見しました。古典的なマシンのメモリリソースと速度は量子問題を解決するには不十分であることがわかりました。たとえば、 NS 2つの状態を持つ量子粒子（スピン 1/2 ）それは持っています 2 NS基本的な状態; それを説明するには、設定する（そしてコンピュータのメモリに書き込む）必要があります 2 NSこれらの状態の振幅。この否定的な結果に基づいて、ファインマンは、おそらく「量子コンピューター」は、その上の量子問題を解決することを可能にする特性を持っているだろうと示唆しました。バリエフK.A. 「量子コンピューター：それらを「大きく」することができるか？」、Uspekhi fizicheskikh nauk、第169巻、第6号、1999年。

「クラシック」コンピュータは、入力電圧と出力電圧の間に非線形の関係を持つトランジスタ回路上に構築されています。基本的に、これらは双安定要素です。たとえば、入力電圧が低い場合（論理「0」）、入力電圧が高い場合（論理「1」）、またはその逆の場合です。量子の世界では、このような双安定トランジスタ回路は2レベルの量子粒子に関連付けることができます：論理状態の値を状態、状態、 - ブール値。ここでの双安定トランジスタ回路の遷移は、レベルからレベルへの遷移に対応します。ただし、キュービットと呼ばれる量子双安定要素には、古典的な状態の重ね合わせの特性と比較して、新しい特性があります。複素数である任意の重ね合わせ状態にすることができます。からの量子系の状態 NS 2レベルの粒子の一般的に重ね合わせの形をしています 2 NS基本的な状態。最終的に、状態の重ね合わせの量子原理は、量子コンピューターに根本的に新しい「能力」を与えることを可能にします。

量子コンピュータは、1キュービット要素と2キュービット制御NOT（CNOT）要素の2つの要素（ゲート）だけで構築できることが証明されています。マトリックス 2x2要素は次のようになります：

ゲートは、角度で指定されたz軸から極軸へのキュービット状態ベクトルの回転を記述します。 . が無理数の場合、繰り返し適用することにより、状態ベクトルに任意の所定の方向を与えることができます。これはまさに（1）の形式の1量子ビットゲートの「普遍性」です。特定のケースでは、1キュービットの論理ゲートNOT（NOT）を取得します：NOT =、NOT =。要素の物理的な実装では、量子ビットをある状態から別の状態に転送する外部パルスで量子粒子（量子ビット）に作用する必要はありません。制御されたゲートは、相互作用する2つのキュービットに作用することによって実行されません。この場合、相互作用を通じて、一方のキュービットが他方の進化を制御します。外部パルスの影響下での遷移は、パルス磁気共鳴分光法でよく知られています。ゲートは、インパルス（軸の周りの磁化の角度による回転）の作用下でのスピンフリップに対応していません . CNOTバルブは2つの背面で動作します 1/2 ハミルトニアン（スピンコントロール）を使用。 CNOTは、インパルス+時間の経過に伴う自由歳差運動-インパルスの3つのステップで実行されます。（制御キュービットが状態にある）場合、示された影響下で、制御キュービットは遷移（または）を行います。（制御量子ビットが状態にある）場合、制御量子ビットの進化の結果は異なります:(）。したがって、スピンは次の場所で異なって進化します。ここで、•は制御キュービットの状態です。バリエフK.A. 「量子情報学：コンピューター、通信、暗号化」、ロシア科学アカデミー紀要、第70巻、第8号、p。 688-695、2000

特定の量子システムでの量子コンピュータの実装の問題を検討するとき、まず、基本的なNOTゲートと制御されたNOTの実現可能性と特性が調査されます。

以下では、1キュービットのアダマール変換を導入することも役立ちます。

磁気共鳴の技術では、これらのバルブはパルス化されます：

量子コンピューターの図を図に示します。コンピューターが動作を開始する前に、すべてのキュービット（量子粒子）を状態にする必要があります。基底状態に。この状態自体は簡単ではありません。

それは（ミリケルビンのオーダーの温度への）深い冷却または分極法の使用のいずれかを必要とします。システム NSある状態の量子ビットは、入力データを記録して計算を実行するために用意されたメモリレジスタと見なすことができます。このレジスタに加えて、通常、中間計算結果を記録するために必要な追加の（補助）レジスタがあると想定されます。データの記録は、コンピューターの各キュービットに対する1つまたは別のアクションによって実行されます。たとえば、アダマール変換がレジスタの各キュービットに対して実行されると仮定します。

その結果、システムはから重ね合わせの状態に移行しました 2 NS振幅のある基底状態 2 -n / 2 . 各基本状態は、からまでの2進数です。図の横線は時間軸を表しています。

アルゴリズムは、重ね合わせのユニタリ変換によって実行されます。次元のユニタリ行列です 2 NS . 外部からのキュービットへのインパルスの影響による物理的な実装では、行列は次元2との行列のベクトル積として表される必要があります。 . 後者は、単一のキュービットまたはキュービットのペアに対する順次アクションによって実行できます。 :

この拡張の要因の数によって、計算の期間（および複雑さ）が決まります。（3）のすべては、NOT、CNOT、H（またはそれらのバリアント）操作を使用して実行されます。

線形ユニタリ演算子が重ね合わせのすべての項に同時に作用することは注目に値します

計算結果は、適用前の状態のスペアレジスタに記録されます。計算プロセスの1回の実行で、引数のすべての値について、求められている関数fの値を取得します。 x = 0、...、 2 NS -- 1 ..。この現象は量子並列処理と呼ばれます。

計算結果の測定は、（4）の重ね合わせベクトルを基本状態の1つのベクトルに投影することになります。 :

ここで、量子コンピューターの弱点の1つが浮かび上がります。それは、偶然の法則に従って、測定の過程で数が「脱落」することです。与えられた場所で見つけるために , 誤って脱落するまで、何度も計算や測定を行う必要があります .

計算プロセスを実行する量子システムの単一進化を分析するとき、干渉などの物理プロセスの重要性が明らかになります。ユニタリ変換は複素数の空間で実行され、これらの数の位相の加算には干渉の性質があります。干渉と分光法の現象におけるフーリエ変換の生産性は知られています。フーリエ変換は常に量子アルゴリズムに存在することが判明しました。アダマール変換は、最も単純な離散フーリエ変換です。 NOTおよびСNOTタイプのゲートは、光子干渉とその偏光ベクトルの回転の現象を使用して、マッハツェンダー干渉計に直接実装できます。

量子コンピュータの物理的実現のさまざまな方法が調査されています。量子コンピューティングのモデル実験は、パルス核磁気共鳴分光計で実行されます。これらのモデルでは、2つまたは3つのスピン（キュービット）が機能しました。たとえば、13 C核の2つのスピンと、トリクロロエチレン分子のプロトンの1つのスピンです。

ただし、これらの実験では、量子コンピューターは「アンサンブル」コンピューターでした。コンピューターの出力信号は、溶液中の多数の分子（〜1020）によって追加されました。

これまで、真空中のトラップ内のイオンと分子、液体中の核スピン（上記を参照）、結晶シリコン中の31 P原子の核スピン、作成された量子ドット内の電子スピンに量子コンピューターを実装する提案がなされてきました。ジョセフソン接合上のGaAsヘテロ構造の二次元電子ガス中。ご覧のとおり、原則として、量子コンピューターは真空、液晶、結晶中の原子粒子上に構築できます。この場合、いずれの場合も、1つまたは別の障害を克服する必要がありますが、量子コンピューターでの量子ビットの動作原理により、いくつかの一般的な障害を区別できます。たとえば、10 3キュービットを含む実物大の量子コンピューターを作成するという問題を提起しましょう（ただし、 n = 100量子コンピューターは便利なツールになり得ます）。

1.コンピューターのキュービットを状態に「初期化」する方法を見つける必要があります。結晶のスピン系では、超低温と超強磁場の使用は明らかです。励起スピン偏極の使用は、冷却磁場と高磁場を同時に使用する場合に役立ちます。

真空トラップ内のイオンの場合、イオン（原子）の超低冷却はレーザー法によって実現されます。低温および超高真空の必要性も明らかです。

2.選択したキュービットに対するインパルスの選択的作用の技術が必要です。無線周波数とスピン共鳴の領域では、これは、各スピンが（分光学的分解能の観点から）独自の共鳴周波数を持たなければならないことを意味します。分子内のスピンの共鳴周波数の違いは、1つの同位体と1つの元素のスピンの化学シフトによるものです。さまざまな元素の原子核のスピンに必要な周波数差が存在します。ただし、常識では、これらの自然に与えられた共振周波数の違いは、103回のスピンで機能するのに十分ではないことを示しています。

より有望なアプローチは、各キュービットの共振周波数を外部から制御できる場合のようです。シリコン量子コンピューターの提案では、キュービットは不純物原子31Rの核スピンです。共鳴周波数は定数によって決定されます。 NS 31P原子の核スピンと電子スピンの超微細相互作用31P原子の上にあるナノ電極上の電場は、原子を分極し、定数を変化させます NS（それぞれ、核スピンの共鳴周波数）。したがって、電極の存在は、キュービットを電子回路に埋め込み、その共振周波数を調整します。

3. CNOT操作（制御されたNOT）を実行するには、キュービットとタイプの間の相互作用が必要です。このような相互作用は、原子核が1つの化学結合によって分離されている場合、分子内の原子核のスピン間で発生します。基本的に、キュービットの任意のペアに対して操作を実行できる必要があります。自然環境では、同じ大きさの「すべてとすべて」の原理に従って、同じ大きさの量子ビットの物理的相互作用を持つことはほとんど不可能です。電位が制御された電極を導入することにより、外部から量子ビット間の環境を調整する方法が明らかに必要とされています。このようにして、例えば、隣接する量子ドットにおける電子の波動関数の重なりや、電子スピン間の形態の相互作用の出現を作り出すことが可能です[。隣接する31P原子の電子の波動関数の重なりは、核スピン間のタイプの相互作用を引き起こします。

とが離れた量子ビットであり、その間でフォームの相互作用がない操作を提供するには、状態が一致するため、操作を提供するように、コンピューターのチェーンに沿った状態交換の操作を適用する必要があります。状態。

4.選択したアルゴリズムに対応するユニタリ変換を実行する過程で、コンピューターの量子ビットは環境の影響を受けます。その結果、キュービット状態ベクトルの振幅と位相はランダムに変化します-デコヒーレン化。本質的に、デコヒーレンスは、キュービットで使用される粒子の自由度の緩和です。デコヒーレンス時間は緩和時間と同じです。液体中の核磁気共鳴では、時間と緩和は1〜10秒です。 E0レベルとE1レベルの間に光学遷移があるトラップ内のイオンの場合、デコヒーレンス時間は自然放出時間と残留原子との衝突時間です。デコヒーレンスが量子コンピューティングの深刻な障害であることは明らかです。開始された計算プロセスは、デコヒーレンス時間が経過した後にランダム性の特徴を獲得します。ただし、量子コーディングとエラー訂正（位相と振幅）の方法を体系的に使用すれば、任意の長い時間τ>τaで安定した量子計算プロセスを実現できます。 NОТやСNОТなどの基本操作のエラーのない実行に対する要件が比較的低く（エラー確率が10-5以下）、量子エラー訂正（QEC）メソッドが量子コンピューターの安定した操作を保証することが証明されています。

量子ビットのシステム上で定期的な測定が実行される場合、デコヒーレンスプロセスのアクティブな抑制も可能です。測定では、粒子が「正しい」状態にあることが最も多く検出され、測定中の状態ベクトルの小さなランダムな変化が崩壊します（量子ゼノン効果）。ただし、そのような測定自体が計算プロセスに影響を与え、それを混乱させる可能性があるため、そのような手法がどれほど有用であるかをまだ言うことは困難です。

5.計算結果を決定するために、計算プロセスの完了後のキュービットの状態を測定する必要があります。今日、そのような測定の習得された技術はありません。しかし、そのような技術の探索経路は明らかです。量子測定では増幅法を使用する必要があります。たとえば、核スピンの状態は電子スピンに移されます。軌道波動関数は後者に依存します。軌道波動関数を知っていると、電荷の移動（イオン化）を組織化することが可能です。単一電子電荷の有無は、古典的な電気測定法によって検出できます。プローブフォース顕微鏡法は、おそらくこれらの測定において重要な役割を果たすでしょう。

これまでに、古典的なコンピューターでの計算と比較して、計算の指数関数的な加速につながる量子アルゴリズムが発見されました。これらには、大きな（複数桁の）素因数を決定するためのショアのアルゴリズムが含まれます。現代の暗号化コードはそのような要素の「計算不可能性」に基づいて構築されているため、この純粋に数学的な問題は社会の生活と密接に関連しています。ショアのアルゴリズムが発見されたときにセンセーションを巻き起こしたのはこの状況でした。物理学者にとって、量子コンピューターを使用する場合、量子問題の解（多粒子系のシュレディンガー方程式の解）が指数関数的に加速されることが重要です。

最後に、量子コンピューティングの問題に関する研究の過程で、量子物理学の主な問題が新しい分析と実験的検証にかけられることが非常に重要です：局所性、現実、相補性、隠れたパラメーター、波動関数の崩壊の問題。

量子コンピューティングと量子通信のアイデアは、量子物理学の元のアイデアの誕生から100年後に生まれました。量子コンピュータと通信システムを構築する可能性は、これまでに行われた理論的および実験的研究によって示されています。量子物理学は、さまざまな「要素ベース」での量子コンピューターの設計に「十分」です。量子コンピューターは、構築できれば21世紀の技術となるでしょう。それらの製造には、ナノメートルおよび原子サイズレベルでの新技術の創出と開発が必要になります。この作業には、明らかに数十年かかる場合があります。量子コンピューターを構築することは、自然の無尽蔵の原則のもう一つの確認となるでしょう。自然には、人間によって正しく定式化されたあらゆるタスクを実行する手段があります。

従来のコンピュータでは、情報は一連のビットでエンコードされ、これらのビットはブールゲートによって順次処理されて、目的の結果が得られます。同様に、量子コンピューターは、量子ゲートを使用して一連の操作を実行することによって量子ビットを処理します。各演算は、単一の量子ビットまたは量子ビットのペアに作用するユニタリ変換です。これらの変換を順次実行することにより、量子コンピューターは、ある初期状態で準備されたキュービットのセット全体に対して複雑なユニタリ変換を実行できます。その後、キュービットを測定して、計算の最終結果を得ることができます。量子コンピューターと古典的なコンピューターの間のこの計算上の類似性は、少なくとも理論的には、古典的なコンピューターが量子コンピューターの動作を正確に再現できることを示唆しています。言い換えれば、古典的なコンピューターは量子コンピューターとまったく同じことをすることができます。では、なぜこのすべてが量子コンピューターに大騒ぎするのでしょうか。事実、古典的なコンピューターは理論的には量子コンピューターをシミュレートできますが、非常に非効率的であるため、実際には古典的なコンピューターは量子コンピューターが処理できる多くの問題を解決できません。ジョン・ベルが最初に示したように、量子ビット間の相関は古典的なビット間の相関とは質的に異なるため、古典的なコンピューターで量子コンピューターをシミュレートすることは計算上困難です。たとえば、わずか数百キュービットのシステムを取ることができます。それは次元のヒルベルト空間に存在します ~10 90 , これには、古典的なコンピューターをシミュレートするときに、指数関数的に大きな行列を使用する必要があります（個々の状態の計算を実行するために、これも行列によって記述されます）。これは、古典的なコンピューターが原始的な量子コンピューターよりも指数関数的に長くかかることを意味します。

リチャード・ファインマンは、そのような問題をはるかに速く解決するために、量子重ね合わせの現象に内在する可能性を最初に認識しました。たとえば、古典的に先延ばしにすることは事実上不可能である500キュービットのシステムは、 2 500 状態。このような重ね合わせの各値は、古典的に500個の1と0のリストと同等です。このようなシステムでの量子操作、たとえば、特定の方法で調整された電波パルスは、たとえば100キュービットと101キュービットで制御されたNOT操作を実行できます。 2 500 状態。したがって、コンピュータクロックの1ティックで、量子操作は通常のコンピュータのように1つのマシン状態を計算するのではなく、 2 500 すぐに状態！しかし、最終的には、量子ビットのシステムで測定が行われ、システムは、問題の単一の解に対応する単一の量子状態、500個の1と0の単一のセットに崩壊します。量子力学。これは本当にスリリングな結果です。重ね合わせに根ざした集合的な量子並列計算プロセスによって発見されたこのソリューションは、古典的なスーパーコンピューターで同じ操作を実行するのと同じです。 10 150 別々のプロセッサ（もちろん、それは不可能です）!! もちろん、この分野の初期の探検家は、そのような巨大な機能に触発されたので、そのようなコンピューティング能力に適したタスクの真の探求がすぐに始まりました。ニュージャージーにあるAT＆Tのベル研究所の研究者兼コンピューター科学者であるPeter Shorは、量子コンピューターと量子アルゴリズムで解決できる問題を提案しました。Shorのアルゴリズムは、量子重ね合わせの力を利用して、多数（〜のオーダー）を分解します。数秒で10,200バイナリ桁以上）この問題は、暗号化の重要な実用的なアプリケーションを持っています。RSAとして知られる一般的に受け入れられている（そして最良の）暗号化アルゴリズムは、大きな複合数を主要な要素に因数分解することの難しさに正確に基づいています。もちろん、このような問題を簡単に解決できることは、これまで「壊れない」と考えられていたRSAを使用する多くの政府機関や、データのセキュリティに関心のある人にとって非常に興味深いものです。

ただし、暗号化は、量子コンピューターで可能なアプリケーションの1つにすぎません。ショアは、量子コンピューターでのみ実行できる数学演算のセット全体を開発しました。これらの操作のいくつかは、彼の因数分解アルゴリズムで使用されています。さらに、ファインマンは、量子コンピューターが量子物理学のシミュレーターとして機能し、この分野での多くの発見への扉を開く可能性があると主張しました。現在、量子コンピューターの能力と能力は主に理論的推論の対象です。最初の真に機能的な量子コンピューターの出現は、間違いなく多くの新しくエキサイティングな実用的なアプリケーションをもたらすでしょう。

歴史的参照

個々の素粒子の量子状態を制御しなければ、量子計算は考えられません。フランス人のセルジュ・ロックとアメリカ人のデービッド・ワインランドの2人の物理学者が成功しました。 Lroshは共振器で単一光子を捕らえ、長い間それらを外界から「切り離し」ました。ワインランドは、特定の量子状態を持つ単一イオンをトラップに収集し、外部の影響からそれらを分離しました。アロッシュは原子を使って光子の状態を観察しました。ワインランドは、光子を使用してイオンの状態を変更しました。彼らはなんとか量子世界と古典世界の関係の研究を進めることができました。 2012年には、「個々の量子システムの測定と制御を可能にした画期的な実験方法」でノーベル物理学賞を受賞しました。

量子コンピューターの操作は、情報の量子ビットの特性に基づいています。計算プロセスが使用する場合 NSキュービットの場合、量子系のヒルベルト空間は2 "に等しい次元を持ちます。 ヒルベルト空間スカラー積が次の条件で定義されるn次元のベクトル空間を意味します。 NS無限に。

私たちの場合、これは2つの「基本状態」があり、コンピューターはこれら2つの「基本状態」の重ね合わせで動作できることを意味します。

キュービットへの影響は、2つの「基本状態」すべての同時変化にすぐにつながることに注意してください。このプロパティは呼ばれます 「量子並列処理».

量子コンピューティングはユニタリ変換です。これは、変換される変数の2乗の合計を変更せずに、複素係数を使用した線形変換が実行されることを意味します。ユニタリ変換は、係数がユニタリ行列を形成する直交変換です。

下 ユニタリ行列正方行列|| aj |を意味し、その積は複素共役と転置行列||です。 aJIは単位行列を与えます。数字 jkと気繁雑。数字の場合 ikが実数の場合、ユニタリ行列は直交します。いくつかの量子ビットがコンピューターの量子レジスターを形成します。このような量子ビットのチェーンでは、1ビットおよび2ビットの論理演算は、従来のレジスタNOT、AND-NOT、2OR-HEなどで演算が実行されるのと同じ方法で実行できます。（図5.49）。

ある数 NSレジスタは本質的に量子コンピュータを形成します。量子コンピューターは、開発された計算アルゴリズムに従って動作します。

米。 5.49。

NOT-ブールNOT; CNOT-制御されたNOT

情報キャリアとしての量子ビットには、古典的なビットとは完全に区別できる興味深い特性がいくつかあります。量子情報理論の主な論文の1つは 状態のもつれ。 2つの2レベル量子ビットがあると仮定します NSと V、電子または核スピンを持つ原子、2つの核スピンを持つ分子の形で実現されます。 2つのサブシステムの相互作用のため NSと V純粋に量子的な性質を持つ非局所的な相関関係が発生します。このような相関関係は、混合状態密度行列で説明できます。

どこ p i-人口または確率私- th状態、そのように NS （ + p 2 + p 3 + + Ra = 1-

確率の合計が1に等しいコヒーレント量子状態の特性は、状態のエンタングルメントまたはエンタングルメントと呼ばれます。絡み合った、または絡み合った量子オブジェクトは、それらがどれほど離れていてもリンクされます。リンクされたオブジェクトの1つの状態が測定されると、他のオブジェクトの状態に関する情報がすぐに取得されます。

2つのキュービットが一緒にリンクされている場合、それらは個々の量子状態を欠いています。それらは互いに依存しているため、一方のタイプの測定では「O」が得られ、もう一方のタイプでは「1」が得られ、その逆も同様です（図5.50）。この場合、彼らは最大にリンクされたペアが1つを運ぶと言います eビット接着。

エンタングル状態は量子コンピューティングデバイスのリソースであり、エンタングル状態の数を補充するためには、エンタングルキュービットを確実に生成する方法を開発する必要があります。方法の1つ

米。 5.50。量子ビットの最大に絡み合ったペアのスキームは、トラップ、核スピン、または光子のペアのイオンでもつれ合ったキュービットを取得するためのアルゴリズム的な方法です。一重項状態の粒子を2つの粒子に崩壊させることは非常に効果的です。この場合、粒子のペアが生成され、座標、運動量、またはスピンで絡み合います。

包括的なエンタングルメント理論の開発は、量子情報理論における重要な課題です。その助けを借りて、テレポーテーション、超高密度コーディング、暗号化、データ圧縮の問題の解決に近づくことが可能になります。この目的のために、量子フーリエ変換を含む量子アルゴリズムが開発されています。

量子コンピューターの計算スキームには、次のアルゴリズムがあります。キュービットのシステムが形成され、その上に初期状態が書き込まれます。ユニタリ変換により、論理演算を実行すると、システムとそのサブシステムの状態が変化します。プロセスは、キュービットの新しい値の測定で終了します。古典的なコンピューターの導体を接続する役割はキュービットによって果たされ、古典的なコンピューターの論理ブロックはユニタリ変換です。量子プロセッサと量子論理ゲートのこの概念は、1989年にDavidDeutschによって策定されました。それから彼は、あらゆる量子計算を実行できるユニバーサルロジックブロックを提案しました。

Doyne-Yojiアルゴリズム「1回の計算で」関数がバイナリ変数/（/？）定数であるかどうかを判断できます （f x（ri）=ああ、 f 2（ri）= 1に関係なく NS）または「バランスのとれた」 （f 3（ 0) = 0,/ 3 (1) = 1;/ 4 (0) = 1, / 4 (1) = 0).

計算を構築するには、2つの基本的な操作で十分であることが判明しました。量子システムは、ある程度の確率でのみ正しい結果をもたらします。ただし、アルゴリズムの演算がわずかに増加するため、正しい結果が得られる確率を必要なだけ1に近づけることができます。基本的な量子操作を使用して、通常のコンピューターを構成する通常の論理ゲートの操作をシミュレートできます。

グローバーのアルゴリズム方程式の解を見つけることができます f（x）= O（VN）時間で0 xの場合は1であり、データベースで検索することを目的としています。グローバーの量子アルゴリズムは、従来のコンピューターのどのランダム検索アルゴリズムよりも本質的に効率的です。

ショアの因数分解アルゴリズム素因数を決定することができます ab与えられた整数 M = a "Xb適切な量子回路を使用する。このアルゴリズムを使用すると、A桁の整数の因数を見つけることができます。その助けを借りて、あなたは計算プロセスの時間を見積もることができます。同時に、ショアのアルゴリズムは、量子コンピューティングシステムのエネルギー準位を決定するための手順の例として解釈することができます。

Zalka-Wisnerアルゴリズム量子系の単一進化をシミュレートできます NSを使用してほぼ線形時間で粒子 オン）キュービット。

サイモンのアルゴリズムブラックボックス問題を、確率的アルゴリズムを含む従来のアルゴリズムよりも指数関数的に高速に解決します。

エラー訂正アルゴリズム壊れやすい量子状態の破壊を受けやすい量子コンピューティングシステムのノイズ耐性を高めることができます。このアルゴリズムの本質は、nsがキュービットのクローンを作成し、それらの状態を見つける必要があるということです。個々の状態を実際に読み取ることなく、任意のキュービットのエラーを修正できる量子論理回路が形成されます。たとえば、そのようなデバイスを通過するトリプレット010は、誤ったミドルビットを検出します。デバイスは、3ビットのいずれについても特定の値を検出せずにそれを裏返します。したがって、情報理論と量子力学に基づいて、基本的なアルゴリズムの1つが生まれました- 量子誤り訂正。

これらの問題は、量子コンピューターを作成するために重要ですが、量子プログラマーの能力の範囲内です。

量子コンピューターは、多くの指標において、古典的なコンピューターよりも進歩的です。最新のコンピューターのほとんどは、フォンノイマンまたはハーバードスキームに従って動作します。 NSメモリビットは状態を格納し、クロックサイクルごとにプロセッサによって変更されます。量子コンピューターでは、 NSキュービットの数はすべての基本状態の重ね合わせである状態にあるため、システムの変更はすべてに影響します 2" 同時に基本状態。理論的には、新しいスキームは従来のスキームよりも指数関数的に高速に機能します。ほぼ量子のデータベース検索アルゴリズムは、2次パワーゲインと従来のアルゴリズムを示しています。

「量子並列処理」の概念の内容は、次のように開示できます。「計算プロセスのデータは量子情報であり、プロセスの最後に、量子レジスタの最終状態を測定することによって古典的な情報に変換されます。量子アルゴリズムの向上は、1つの量子操作を使用すると、仮想形式で古典的な情報を含む量子状態の多数の重ね合わせ係数が同時に変換されるという事実によって達成されます。」

「量子重ね合わせ」とも呼ばれる量子もつれによって、通常は次のように理解されます。「特定の期間内に放射性崩壊する可能性のある原子を想像してください。または不可能でした。この原子には2つの可能性しかないと予想できます。状態：「崩壊」と「崩壊しない」、/ ... /しかし、量子力学では、原子はある種の結合状態を持っている可能性があります-「崩壊-崩壊しない」、つまり、どちらでもないが、それは、間でした。重ね合わせ」。

理論的には、量子コンピューターの基本的な特性により、古典的なコンピューターが動作するときに生じる制限のいくつかを克服することができます。

仮説

量子ビット

Yu.I.ManinとR.Feynmanによって最初に表現された量子コンピューティングのアイデアは、 L 2レベルの量子要素（キュービット）には2つあります L線形独立状態の、したがって、量子重ね合わせの原理により、2 L-次元のヒルベルト状態空間。量子コンピューティングの操作は、この空間の回転に対応します。したがって、サイズの量子コンピューティングデバイス Lキュービットは並行して実行できます2 Lオペレーション。

キュービットが1つあるとします。この場合、測定後、いわゆる古典的な形式では、結果は0または1になります。実際には、キュービットは量子オブジェクトであるため、不確定性原理により、0と1の両方になります。一定の確率。キュービットが100％の確率で0（または1）の場合、その状態は、ディラックの表記法で記号| 0>（または| 1>）で示されます。 | 0>および| 1>はベースラインです。一般的な場合、キュービットの量子状態は基本的なものの間にあり、次の形式で記述されます。 NS|²および| NS|²-それぞれ0または1を測定する確率。 ; | NS|² + | NS|²= 1。さらに、測定直後、量子ビットは古典的な結果と同様に基本的な量子状態に移行します。

量子状態のキュービットがありますこの場合、測定時に取得する確率この場合、測定時に、64％の確率で0を取得しました。次に、キュービットは新しい量子状態1 * | 0> + 0 * | 1> = | 0>にジャンプします。つまり、次にこのキュービットを測定すると、100パーセントの確率で0が得られます。これは、ディラック状態ベクトルが時間に依存しない、つまり、時間に依存しない係数を持つ基底状態のベクトルの合計に分解されるという事実によるものです。

説明のために量子力学から2つの例を挙げましょう。1）光子は2つの偏光の重ね合わせの状態にあります。一度測定すると、光子の状態が特定の偏光を持つものに崩壊します。 2）放射性原子には一定の半減期があります。測定により、まだ崩壊していないことが明らかになる場合がありますが、それは決して崩壊しないという意味ではありません。

2キュービットのシステムに移りましょう。それらのそれぞれの測定は0または1を与えることができます。したがって、システムには4つの古典的な状態があります：00、01、10および11。同様の基本的な量子状態：| 00>、| 01>、| 10>および| 11>。そして最後に、システムの一般的な量子状態は次のような形をしています。今| NS|²-00などを測定する確率。 NS|²+| NS|²+| NS|²+| NS|²= 1の合計確率。

一般的に、 Lそれは2キュービットを持っています L古典的な状態（00000 ...（L-zeros）、... 00001（L-digits）、...、11111 ...（L-ones））、それぞれ0-100の確率で測定できます％。

したがって、キュービットのグループに対する1つの操作は、従来のビットとは異なり、取得できるすべての値に影響します。これにより、前例のない計算並列処理が実現します。

計算

量子コンピューターでの単純化された計算スキームは次のようになります。初期状態が記録されるキュービットのシステムが採用されます。次に、システムまたはそのサブシステムの状態は、基本的な量子操作によって変更されます。最後に、値が測定され、これはコンピューターの結果です。

計算を構築するには、2つの基本的な操作で十分であることがわかります。量子システムは、ある程度の確率でのみ正しい結果をもたらします。ただし、アルゴリズムの演算がわずかに増加するため、正しい結果が得られる確率を必要なだけ1に近づけることができます。

基本的な量子操作を使用して、通常のコンピューターを構成する通常の論理ゲートの操作をシミュレートできます。したがって、現在解決されている問題があれば、量子コンピューターがほぼ同時に解決します。その結果、新しいコンピューティングスキームは現在のものよりも弱くなることはありません。

なぜ量子コンピューターは古典的なコンピューターよりも優れているのですか？最近のほとんどのコンピュータは同じように動作します。nビットのメモリが状態を格納し、タイムサイクルごとにプロセッサによって変更されます。量子の場合、nキュービットのシステムは、すべての基本状態の重ね合わせである状態にあるため、システムの変更は懸念されます。 すべて2n同時に基本状態。理論的には、新しいスキームは、従来のスキームよりもはるかに（指数関数的に）高速に動作します。実際には、グローバーの（量子）データベース検索アルゴリズムは、2次パワーゲインと従来のアルゴリズムを比較しています。これまでのところ、それらは自然界には存在しません。

アルゴリズム

すべてのアルゴリズムが「量子加速」に対応できるわけではないことが示されています。

量子テレポーテーション

テレポーテーションアルゴリズムは、あるキュービット（またはシステム）の状態を別のキュービット（またはシステム）に正確に転送することを実装します。最も単純なスキームは、ソース、レシーバー、および2つの補助キュービットの4つのキュービットを使用します。アルゴリズムの操作の結果として、ソースの初期状態が破壊されることに注意してください-これは一般的なアクションの例です クローン作成の不可能性の原則-元の状態を破壊せずに量子状態の正確なコピーを作成することは不可能です。実際、キュービットに同じ状態を作成するのは非常に簡単です。たとえば、3キュービットを測定したら、それぞれを基本状態（0または1）に転送し、少なくとも2つは一致します。コピーできません任意状態、そしてテレポーテーションはこの操作の代わりです。

テレポーテーションを使用すると、従来の従来の通信チャネルを使用してシステムの量子状態を転送できます。このようにして、特に、長距離にわたって遠隔のサブシステムからなるシステムの束縛状態を取得することが可能である。

量子コンピューターの応用

アプリケーションの特異性

量子コンピュータは一種のアナログ計算機のように見えるかもしれません。しかし、これはそうではありません。本質的にはデジタルデバイスですが、アナログの性質を備えています。

量子コンピューターの作成と使用に関連する主な問題：

測定の高精度を確保する必要があります。
外部の影響により、量子システムが破壊されたり、歪みが生じたりする可能性があります。

暗号化アプリケーション

素因数分解の驚異的な速度のおかげで、量子コンピューターは、人気のある非対称暗号化アルゴリズムを使用して暗号化されたメッセージの復号化を可能にし、メッセージ送信の分野で新しい可能性を開きます。この種のシステムのプロトタイプは開発中です。

実装

カナダの会社D-Waveは、2007年2月に、16キュービットで構成される量子コンピューターのサンプルを作成したと発表しました（デバイスの名前はOrion）。ただし、このデバイスに関する情報は、正確な科学的報告の厳しい要件を満たしていませんでした。そのニュースは科学的に認められていません。さらに、同社のさらなる計画（近い将来に1024キュービットのコンピューターを作成する）は、専門家コミュニティのメンバーの間で懐疑的な見方を引き起こしました。

2007年11月、同じD-Wave社が、スーパーコンピューターに関する会議で、サンプルの28キュービットコンピューターの作業をオンラインで実演しました。このデモンストレーションはまた、ある種の懐疑論を生み出しました。

2008年12月、同社は分散コンピューティングプロジェクトを組織しました [メール保護](NS糖尿病 QUアンタム NS lgorithms）、D-Wave断熱超伝導量子コンピューターでの計算を最適化するアルゴリズムをテストします。

も参照してください

メモ（編集）

文学

キリンS.Ya.量子と情報/光学の進歩。 -2001.-Vol。 42.-P.1-90。
キリンS.ヤ。量子情報/物理科学の進歩。 -1999。-T。169。-C。507-527。
量子コンピューティングの長所と短所。エド。 Sadovnichy V.A.
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バリエフK.A.、コーキンA. A.量子コンピューター：希望と現実。モスクワ、イジェフスク：規則的で混沌としたダイナミクス、2004.320p。 ISBN 5-93972-024-2

リンク

量子コンピュータとその半導体の基本基盤
キタエフ、A。、シェン、A。、スラッギッシュ、M。古典的および量子コンピューティング
QWikiとQuantiki-量子情報学のためのWikiリソース
量子コンピューター用のQCLプログラミング言語
コース「理論計算機科学の現代の問題」（量子コンピューティングに関する講義：紹介、超高密度コーディング、量子テレポーテーション、SimonとShorのアルゴリズム）
InFuture.ru：量子コンピューターの未来は三元計算にあります
Valiev K.A.「量子コンピューターと量子コンピューティング」Phys。 175 3 (2005)

ウィキメディア財団。 2010年。

量子サイズ効果
量子次元効果

他の辞書にある「量子コンピューティング」とは何かをご覧ください。

量子コンピューター-従来の量子コンピューターの3ビットに対する量子レジスターの3キュービットは、量子アルゴリズムを実行することにより、次のような量子力学的効果を大幅に使用する架空のコンピューティングデバイスです... ... Wikipedia

位相的場の量子論-量子力学。または場の量子論、時間の空間と理論の定義に関与する他の空間の両方で座標とメトリックの選択に依存しないすべての相関関数。これにより、使用することができます...... 物理百科事典

量子コンピューター-量子力学に基づく従来の量子コンピュータコンピューティングデバイスの3ビットに対する量子レジスタの3キュービット。量子コンピューターは、...ウィキペディアに基づく古典的なコンピューターとは根本的に異なります。

このシミュレーションが重要である理由は、古典的なデジタルコンピューターは複数参照状態とはほとんど関係がないためです。多くの場合、古典的な計算方法では、定量的だけでなく定性的にも、分子の電子構造を説明することはできません。

最近解決された重要な問題は、量子コンピューターが効率的に、そして現実の世界に必要な化学的精度で計算を実行できる方法を見つけることでした。プログラムは、20キュービットのIBMプロセッサーで実行されました。

なぜ化学がそのような関心のある分野に入ったのですか？化学は、いくつかの理由から最も収益性の高い商用アプリケーションの1つです。科学者たちは、バッテリーやソーラーパネルに使用できる、よりエネルギー効率の高い材料を見つけることを期待しています。環境上の利点もあります。世界のエネルギーの約2％が肥料に費やされていますが、これはひどく非効率的であり、高度な化学分析によって改善することができます。

最後に、遺伝学に基づいて医薬品が人々にどのように影響するかを予測する機能を備えた個別化医療アプリケーションがあります。長期的には、最も効果的な治療と副作用の最小化のために特定の人のための薬を開発する機会です。

CQCとJSRCorpには、科学者がこのブレークスルーを実現できるようにする2つの戦略がありました。まず、彼らは独自のCQCコンパイラを使用して、コンピュータプログラムをキュービットを操作するための命令に最も効率的に変換しました。この効率は、各キュービットが重要かつ必要であり、実行速度が重要である最新の低キュービットマシンで特に重要です。

次に、確率だけでなくベクトル振幅を使用する機械学習の特別なサブフィールドである量子機械学習を使用しました。使用される量子機械学習の方法は、従来のプロセッサを使用して部分的にオフロードする、低量子ビットの量子コンピュータ用に特別に開発されました。

今後数年間で、ハードウェアとソフトウェアの両方で量子の改善が期待されます。計算がより正確になるにつれて、より多くの産業が量子化学を含む量子コンピューティングアプリケーションを利用できるようになります。ガートナーは、4年以内に企業の20％が量子コンピューティングの予算を持つと予測しています。 10年以内に、それらはテクノロジーの不可欠なコンポーネントになります。