luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Азбука квантовых вычислений: 35 терминов, которые помогут разобраться в технологии



Квантовые вычисления неспроста считают самым перспективным направлением из всех квантовых технологий: именно они подарят миру квантовый компьютер, а с ним — производство новых материалов и лекарственных средств и возможность решать оптимизационные задачи в тысячи раз быстрее, чем это возможно сегодня. Руководитель научной группы «Квантовая поляритоника» Российского квантового центра и профессор Саутгемптонского университета Алексей Кавокин специально для «Хайтека» разобрал основные термины и явления из области квантовых вычислений.

А

Алгоритм в квантовых вычислениях — набор операций, которые надо совершить, чтобы решить задачу на квантовом компьютере. Информация вводится в квантовый компьютер в виде последовательности нулей и единиц: битов информации. Однако в процессе вычисления квантовый компьютер оперирует смешанными состояниями — кубитами, в каждом из которых есть часть нуля и часть единицы. Именно поэтому квантовые алгоритмы отличаются от классических. В конце вычисления квантовое измерение снова делает последовательность нулей и единиц.


Все иллюстрации из книги Алексея Кавокина

Б

Борьба с декогеренцией — один из методов коррекции ошибок вычислений, производимых квантовыми компьютерами. Чем эффективнее борьба, тем более достоверными будут результаты работы квантовых алгоритмов.

В

Волновая функция — функция, которая используется в квантовой механике для описания так называемого «чистого состояния системы». Она задает вероятность нахождения системы в том или ином состоянии. Квантовое измерение приводит к коллапсу волновой функции: вероятности всех состояний, кроме одного, обращаются в ноль.

Г

Геометрия, квантовая — метод описания объектов, размер которых настолько мал, что такие классические понятия, как траектория и скорость, к ним уже не применимы.

Д

Декогеренция — процесс нарушения когерентности (постоянства разности фаз волновых функций — «Хайтек») кубитов в результате взаимодействия системы с окружающей средой. Другими словами, декогеренция — возникновение запутанности между квантовой системой и окружением. Именно она является источником ошибок в ходе вычислений. Чтобы замедлить ее, необходимо изолировать кубиты и снизить влияние внешних факторов. На практике это реализуется, например, охлаждением кубитов до сверхнизких температур.

Е

Емкость, квантовая — величина, которая определяется как изменение электрического заряда относительно изменения электрохимического потенциала. Квантовую емкость еще называют химической или электрохимической емкостью.



Ж

Жидкость, квантовая — это жидкость, свойства которой определяются квантовыми эффектами. Примером квантовой жидкости является сверхтекучий гелий-II — жидкость с нулевой вязкостью. Сверхтекучий гелий проникает в сколь угодно узкие капилляры.



З

Замок, квантовый — конфигурация магнитного поля, фиксирующая предмет в трехмерном пространстве. Наиболее яркий пример: левитация постоянного магнита над сверхпроводником за счет выталкивания магнитного поля сверхпроводником. Эффект применяется в поездах на магнитной подушке, таких, как самый быстрый поезд в мире MAGLEV, перевозящий пассажиров из аэропорта Шанхая в центр города.

И

Ионы — электрически заряженные частицы, образуются в результате потери или присоединения электронов к атому или молекуле. Если заряд положительный, ион называют катионом, если отрицательный — анионом.

К

Квантовые компьютеры — вычислительные устройства, которые используют явление квантовой суперпозиции состояний для передачи и обработки данных. Логические операции в квантовых компьютерах проводятся с помощью кубитов, принимающих бесконечное множество значений, в отличие от битов классического компьютера, принимающих лишь два возможных значения: «0» и «1». Квантовая интегральная схема позволяет проводить операции над всеми возможными состояниями системы одновременно, существенно увеличивая скорость проведения операций. Это позволяет квантовым компьютерам решать задачи, связанные с выбором одного решения из множества, гораздо более эффективно, чем это делают классические компьютеры.

Кубит — квантовый аналог транзистора. Это наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Если транзистор хранит классический бит информации, который принимает значения «0» или «1», то кубит хранит квантовый бит информации, значение которого может быть произвольной линейной комбинацией из «0» и «1».

Квазичастица — квант электронного возбуждения в кристалле. Наиболее известные квазичастицы — электроны и дырки, переносят электрический заряд в полупроводниковых транзисторах. Электрон-квазичастица отличается от электрона — элементарной частицы массой: он гораздо легче. Эффективная масса квазичастицы определяется свойствами кристалла. Кванты света, фотоны, проходя через кристалл, образуют квазичастицы «жидкого света» — поляритоны. Плазмоны, фононы, магноны, экситоны — это квазичастицы, описывающие разные виды колебаний в кристалле. Квазичастица никогда не выходит за пределы своего кристалла.



Л

Ловушка Пауля — одна из разновидностей электромагнитных ловушек, предназначенная для удержания, замедления и хранения заряженных микрочастиц, в частности ионов, в течение определенного времени.


Схематический вид ионной ловушки. Источник: mipt.ru

М

Матрица плотности — один из основных способов описания состояния квантовомеханической системы. Если волновая функция пригодна только для описания чистых состояний (см. чистое состояние системы), то матрица плотности пригодна для работы как с чистыми, так и смешанными состояниями, в том числе с перепутанными состояниями, которые важны для квантовых коммуникаций.



Механика, квантовая — раздел теоретической физики, описывающий физические явления в микромире. Квантовая механика была создана в начале XX века в ответ на несколько парадоксов, которые не могла объяснить классическая физика. До сих пор ведутся споры о философской интерпретации квантовой механики, некоторые положения которой противоречат материалистической картине мира.

Н

Неопределенность в квантовых вычислениях — принцип, который гласит, что невозможно одновременно знать и точное положение, и точную скорость частицы. Так, если мы понимаем, где в данный момент находится частица, мы не можем определить ее скорость. Если мы знаем скорость, значит, не можем определить координаты. Принцип неопределенности сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг.



О

Объем, квантовый — специализированная характеристика, которую ввела компания IBM для измерения «качества» квантовых компьютеров. Квантовый объем растет только при одновременном увеличении числа кубитов и уменьшении числа ошибок при работе над ними. А значит, недостаточно только повышать число кубитов — при сохранении количества ошибок объем расти не будет.

Оптика, квантовая — раздел оптики, который занимается изучением явлений, где явно проявляются квантовые свойства светового излучения, включая тепловое излучение и фотоэффект. Квантовая оптика основана на представлении о свете как о потоке квантов — фотонов.

П

Поляритон — квазичастица «жидкого света». Поляритоны возникают благодаря взаимодействию квантов света, фотонов, с возбужденными состояниями кристалла: экситонами, фононами, плазмонами или магнонами. Поляритоны сочетают свойства света со свойствами материальных частиц.


Источник: garyconklinglifenotes.wordpress.com

Превосходство — в квантовых вычислениях это способность квантовых компьютеров решать некоторые проблемы принципиально быстрее, чем любой классический компьютер. С увеличением сложности проблемы время, которое тратит на ее решение квантовый компьютер, растет существенно медленнее, чем время, которое потребуется для ее решения классическому компьютеру.

Р

Радиация — распространение энергии в форме излучения. Часто под радиацией подразумевают ионизирующее излучение, которое может вызывать разрушение живых клеток. Недавно физики обнаружили, что радиация сокращает время когерентности квантовых состояний сверхпроводящих кубитов, а значит, квантовые компьютеры на сверхпроводниках должны должны будут обладать радиационной защитой.

С

Симулятор, квантовый — квантовая вычислительная система, нацеленная на решение одной или нескольких однотипных задач. Квантовые симуляторы способны имитировать свойства и поведение реальных квантовых систем. Их работа осуществляется без помощи механизма коррекции ошибок, что позволяет создавать симуляторы с помощью меньшего числа кубитов, чем то, которое понадобилось бы универсальному квантовому компьютеру.



Суперпозиция в квантовой теории — сочетание свойств различных квантовых состояний частицы (то есть состояний с разными энергиями или скоростями). Частица существует одновременно в двух или нескольких состояниях до тех пор, пока акт измерения не находит ее в одном из состояний. Так опытный игрок в прятки незаметно переходит из одной комнаты в другую, прячась везде одновременно до тех пор, пока его не обнаружат в одной из комнат.

Т

Туннельный эффект — возможность преодоления микрочастицей потенциального барьера. Иллюстрацией к этому эффекту может быть колобок, который катится по ровной дороге и приближается к горке. В классическом мире колобок не сможет преодолеть достаточно высокую гору с разбега. В квантовой реальности у него есть возможность преодолеть препятствие в любом случае, как будто прорыв туннель под горой.

Тьюринг, Алан — выдающийся английский математик, создатель первого компьютера. Во время Второй Мировой войны он руководил группой ученых, создавших «бомбу Тьюринга» — вычислительную машину, взломавшую шифр немецкой криптографической системы «Энигма».



У

Универсальный квантовый компьютер — программируемый вычислительный прибор, основанный на использовании квантовых вычислительных алгоритмов. Его особенностью в отличие от квантового симулятора является необходимость использования квантовой процедуры коррекции ошибок. Это приводит к резкому росту числа кубитов в процессоре компьютера и делает реализацию такого процессора крайне сложной технической задачей.



Ф

Фотон — самая распространенная элементарная частица во Вселенной, квант электромагнитного излучения. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, не имеет массы и заряда, передвигается в вакууме с самый высокой из возможных скоростей — скоростью света. Фотоны можно представить себе в виде воздушных шариков, наполненных водой. Волны на поверхности воды несут информацию о частоте, фазе и поляризации света. Получить эту информацию можно лишь продырявив шарик, то есть уничтожив/поглотив фотон.



Х

Хаос, квантовый — раздел физики, который изучает, как хаотические классические системы могут быть описаны с точки зрения квантовой механики. Система считается хаотической, если небольшое отклонение в ее начальном состоянии приводит к радикальным изменениям в ее последующей эволюции.

Ц

Цвет, квантовый. Это квантовое число, одна из характеристик кварков и глюонов, элементарных частиц. Квантовый цвет не имеет ничего общего с обычным цветом, то есть с длиной волны света.

Ч

Чистое состояние системы — состояние, которое можно описать волновой функцией. Как правило, чистые состояния живут недолго: они разрушаются за счет процессов декогерентности. Перепутанные квантовые состояния не являются чистыми.

Ш


Шредингер, Эрвин — австрийский ученый, один из отцов-основателей квантовой механики. Он предложил мысленный эксперимент, демонстрирующий парадоксальную нелепость принципа квантовой суперпозиции. В закрытый ящик помещается живой кот и устройство, состоящее из счетчика Гейгера с небольшим количеством радиоактивного вещества внутри, колбы с ядом и специального механизма. Вероятность того, что один из радиоактивных атомов распадется в течение часа, равна 50%. Распад атома должен повлечь за собой срабатывание механизма, который разбивает колбу с ядом. Как только колба оказывается разбита, кот умирает. Пока ящик закрыт, мы не знаем, жив кот или мертв. С точки зрения квантовой механики он одновременно и жив, и мертв. Только измерение (вскрытие ящика) проецирует квантовое состояние кота на классический базис: кот оказывается либо жив, либо мертв.



Э

Эмулятор — это программа, которая позволяет воспроизводить свойства систем для квантовых вычислений на классических компьютерах. Благодаря эмуляторам мы можем исследовать потенциал технологии квантовых вычислений: демонстрировать алгоритмы, пробовать методы подавления ошибок и квантовые коды коррекции ошибок

Экситон — квазичастица, состоящая из двух других квазичастиц: положительно заряженной дырки и отрицательно заряженного электрона. Экситон имеет такую же структуру энергетических уровней, как атом водорода. В отличие от атомов водорода, экситоны нестабильны. Их время жизни, как правило, не превышает одной миллиардной доли секунды. Исчезая, экситоны передают свою энергию квантам света — фотонам.



Ю

Юнга опыт — эксперимент Томаса Юнга позволил продемонстрировать интерференцию и дифракцию света — явления, которые послужили доказательством справедливости волновой теории света. Впоследствии этот опыт был повторен для потока электронов. Измерения показали, что и свет, и материя могут проявлять свойства как волн, так и частиц.

Я

Язык квантового программирования — особый язык программирования, который дает возможность описывать квантовые алгоритмы для решения различных задач. В настоящее время существует несколько языков квантового программирования, включая QPL, QCL, Haskell-подобный QML, Quipper, Q#, Q, qGCL, cQPL.



Tags: квантовая механика, квантовый компьютер
Subscribe

Posts from This Journal “квантовая механика” Tag

promo luckyea77 december 30, 15:00 8
Buy for 10 tokens
По этой ссылке можно скачать информационную базу для программы "1С:Предприятие". С помощью данной базы можно готовиться и сдавать экзамены по темам: - Электробезопасность - Основы промышленной безопасности А.1 - Специальные требования промышленной безопасности: Б 9.31. Эксплуатация опасных…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments