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.
