EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals minangka program Sertifikasi IT Eropa babagan aspek teoritis lan praktis informasi kuantum lan komputasi kuantum, adhedhasar hukum fisika kuantum tinimbang fisika klasik lan menehi kaluwihan kualitatif tinimbang mitra klasik.
Kurikulum EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals nyakup introduksi mekanika kuantum (kalebu pertimbangan eksperimen celah ganda lan interferensi gelombang materi), introduksi informasi kuantum (qubits lan perwakilan geometris), polarisasi cahya, prinsip ketidakpastian, kuantum entanglement, paradoks EPR, Pelanggaran ketimpangan lonceng, nilar realisme lokal, pangolahan informasi kuantum (kalebu transformasi kesatuan, gerbang siji-qubit lan loro-qubit), teorema tanpa kloning, teleportasi kuantum, pangukuran kuantum, komputasi kuantum (kalebu pengantar multi -sistem qubit, kulawarga gerbang universal, reversibilitas komputasi), algoritma kuantum (kalebu Transformasi Quantum Fourier, algoritma Simon, tesis Churh-Turing sing ditambahi, algoritma faktoring kuantum Shor'q, algoritma telusuran kuantum Grover), observasi kuantum, persamaan Shrodinger, implementasi qubits, teori kompleksitas kuantum, komputasi kuantum adiabatik ion, BQP, introduksi spin, ing struktur ing ngisor iki, nyakup konten didaktik video sing komprehensif minangka referensi kanggo Sertifikasi EITC iki.
Informasi kuantum yaiku informasi babagan kahanan sistem kuantum. Iki minangka entitas dhasar sinau ing teori informasi kuantum, lan bisa dimanipulasi nggunakake teknik pangolahan informasi kuantum. Informasi kuantum nuduhake definisi teknis babagan entropi Von Neumann lan istilah komputasi umum.
Informasi lan komputasi kuantum minangka bidang interdisipliner sing nyakup mekanika kuantum, ilmu komputer, teori informasi, filsafat lan kriptografi ing antarane bidang liyane. Sinau uga cocog karo disiplin kayata ilmu kognitif, psikologi lan neurosains. Fokus utama yaiku ngekstrak informasi saka materi ing skala mikroskopis. Observasi ing ilmu pengetahuan minangka kriturium khas dhasar saka kasunyatan lan salah sawijining cara sing paling penting kanggo entuk informasi. Mula, pangukuran dibutuhake kanggo ngukur pengamatan, dadi penting kanggo metode ilmiah. Ing mekanika kuantum, amarga prinsip ketidakpastian, observasi non-commuting ora bisa diukur kanthi tepat bebarengan, amarga status eigen ing basis siji ora dadi eigenstate ing basis liyane. Amarga loro variabel kasebut ora ditetepake kanthi apik, negara kuantum ora bisa ngemot informasi definitif babagan loro variabel kasebut. Amarga sifat dhasar saka pangukuran ing mekanika kuantum, téyori iki umumé bisa ditondoi minangka nondeterministik, kontras karo mekanika klasik, sing deterministik kanthi lengkap. Indeterminisme negara kuantum nggambarake informasi sing ditetepake minangka negara sistem kuantum. Ing istilah matematika, negara kasebut ana ing superposisi (kombinasi linier) negara sistem klasik.
Minangka informasi tansah dienkode ing negara sistem fisik, iku fisik dhewe. Nalika mekanika kuantum nyinaoni sifat materi ing tingkat mikroskopis, ilmu informasi kuantum fokus kanggo ngekstrak informasi saka sifat kasebut, lan komputasi kuantum manipulasi lan ngolah informasi kuantum - nindakake operasi logis - nggunakake teknik pangolahan informasi kuantum.
Informasi kuantum, kaya informasi klasik, bisa diproses nganggo komputer, dikirim saka siji lokasi menyang lokasi liyane, dimanipulasi nganggo algoritma, lan dianalisis nganggo ilmu komputer lan matematika. Kaya unit dhasar informasi klasik yaiku bit, informasi kuantum gegayutan karo qubit, sing bisa ana ing superposisi 0 lan 1 (bebarengan dadi bener lan salah). Informasi kuantum uga bisa ana ing negara sing disebut entangled, sing nuduhake korelasi non-lokal murni non-klasik ing pangukurane, ngidini aplikasi kayata teleportasi kuantum. Tingkat entanglement bisa diukur nggunakake entropi Von Neumann, sing uga minangka ukuran informasi kuantum. Bubar, bidang komputasi kuantum wis dadi area riset sing aktif banget amarga ana kemungkinan ngganggu komputasi, komunikasi, lan kriptografi modern.
Sejarah informasi kuantum diwiwiti ing awal abad kaping 20 nalika fisika klasik diowahi dadi fisika kuantum. Teori-teori fisika klasik prédhiksi absurditas kayata malapetaka ultraviolet, utawa elektron spiral menyang inti. Kaping pisanan, masalah kasebut diilangi kanthi nambahake hipotesis ad hoc ing fisika klasik. Ora let suwe, dadi nyata yen teori anyar kudu digawe supaya bisa ngerteni absurditas kasebut, lan teori mekanika kuantum lair.
Mekanika kuantum dirumusake dening Schrödinger nggunakake mekanika gelombang lan Heisenberg nggunakake mekanika matriks. Kesetaraan metode kasebut dibuktekake mengko. Formulasi kasebut nggambarake dinamika sistem mikroskopik nanging nduweni sawetara aspek sing ora nyenengake kanggo njlentrehake proses pangukuran. Von Neumann ngrumusake teori kuantum nggunakake aljabar operator kanthi cara sing nggambarake pangukuran uga dinamika. Pasinaon kasebut nandheske aspek filosofis pangukuran tinimbang pendekatan kuantitatif kanggo ngekstrak informasi liwat pangukuran.
Ing taun 1960-an, Stratonovich, Helstrom lan Gordon ngusulake formulasi komunikasi optik nggunakake mekanika kuantum. Iki minangka tampilan historis pisanan saka teori informasi kuantum. Dheweke utamane sinau babagan kemungkinan kesalahan lan kapasitas saluran kanggo komunikasi. Mengko, Holevo entuk kacepetan komunikasi ndhuwur ing transmisi pesen klasik liwat saluran kuantum.
Ing taun 1970-an, tèknik kanggo manipulasi negara kuantum atom siji, kayata jebakan atom lan mikroskop terowongan pemindaian, wiwit dikembangaké, saéngga bisa ngisolasi atom tunggal lan disusun dadi susunan. Sadurungé pangembangan kasebut, kontrol sing tepat marang sistem kuantum tunggal ora bisa ditindakake, lan eksperimen nggunakake kontrol sing luwih kasar lan simultan ing sapérangan sistem kuantum. Pangembangan teknik manipulasi siji-negara sing sregep nyebabake minat tambah ing bidang informasi kuantum lan komputasi.
Ing taun 1980-an, kapentingan muncul ing apa bisa nggunakake efek kuantum kanggo mbantah teori relativitas Einstein. Yen bisa ngkloning negara kuantum sing ora dingerteni, bisa uga nggunakake negara kuantum entangled kanggo ngirim informasi luwih cepet tinimbang kacepetan cahya, mbantah teori Einstein. Nanging, teorema tanpa kloning nuduhake yen kloning kasebut ora mungkin. Teorema kasebut minangka salah sawijining asil paling awal saka teori informasi kuantum.
Pangembangan saka kriptografi
Senadyan kabeh kasenengan lan kapentingan kanggo sinau sistem kuantum terisolasi lan nyoba golek cara kanggo circumvent teori relativitas, riset ing teori informasi kuantum dadi stagnant ing 1980s. Nanging, ing wektu sing padha, dalan liyane mulai mlebu informasi lan komputasi kuantum: Kriptografi. Ing pangertèn umum, kriptografi minangka masalah kanggo nindakake komunikasi utawa komputasi sing nglibatake loro utawa luwih pihak sing bisa uga ora percaya siji liyane.
Bennett lan Brassard ngembangake saluran komunikasi sing ora bisa dirungokake tanpa dideteksi, cara komunikasi kanthi rahasia ing jarak sing adoh nggunakake protokol kriptografi kuantum BB84. Ide utama yaiku nggunakake prinsip mekanika kuantum sing pengamatan ngganggu sing diamati, lan introduksi eavesdropper ing jalur komunikasi sing aman bakal langsung ngidini pihak loro sing nyoba komunikasi bakal ngerti anané eavesdropper.
Pangembangan saka ilmu komputer lan matématika
Kanthi tekane gagasan revolusioner Alan Turing babagan komputer sing bisa diprogram, utawa mesin Turing, dheweke nuduhake manawa komputasi ing donya nyata bisa diterjemahake menyang komputasi sing padha karo mesin Turing. Iki dikenal minangka tesis Church-Turing.
Ora let suwe, komputer pisanan digawe lan hardware komputer tuwuh kanthi cepet nganti wutah, liwat pengalaman ing produksi, dikodifikasi dadi hubungan empiris sing diarani hukum Moore. 'Hukum' iki minangka tren proyektif sing nyatakake yen jumlah transistor ing sirkuit terpadu tikel kaping pindho saben rong taun. Nalika transistor wiwit dadi cilik lan luwih cilik kanggo ngemas daya luwih akeh saben area lumahing, efek kuantum wiwit katon ing elektronika sing nyebabake gangguan sing ora disengaja. Iki nyebabake tekane komputasi kuantum, sing nggunakake mekanika kuantum kanggo ngrancang algoritma.
Ing wektu iki, komputer kuantum nuduhake janji bakal luwih cepet tinimbang komputer klasik kanggo masalah tartamtu. Salah sawijining conto masalah iki dikembangake dening David Deutsch lan Richard Jozsa, sing dikenal minangka algoritma Deutsch-Jozsa. Nanging masalah iki ora ana aplikasi praktis. Peter Shor ing 1994 teka munggah karo masalah penting banget lan praktis, salah siji nemokake faktor utama saka integer. Masalah logaritma diskrit kaya sing diarani, bisa ditanggulangi kanthi efisien ing komputer kuantum nanging ora ing komputer klasik, mula nuduhake yen komputer kuantum luwih kuat tinimbang mesin Turing.
Pangembangan saka teori informasi
Kira-kira wektu ilmu komputer nggawe revolusi, uga teori informasi lan komunikasi, liwat Claude Shannon. Shannon ngembangake rong teorema dhasar teori informasi: teorema pengkodean saluran noiseless lan teorema pengkodean saluran bising. Dheweke uga nuduhake manawa kode koreksi kesalahan bisa digunakake kanggo nglindhungi informasi sing dikirim.
Teori informasi kuantum uga ngetutake lintasan sing padha, Ben Schumacher ing taun 1995 nggawe analog karo teorema pengkodean tanpa suara Shannon nggunakake qubit. Teori koreksi kesalahan uga dikembangake, sing ngidini komputer kuantum nggawe komputasi sing efisien tanpa preduli saka gangguan, lan nggawe komunikasi sing dipercaya liwat saluran kuantum sing rame.
Qubits lan teori informasi
Informasi kuantum beda banget karo informasi klasik, digambarake kanthi bit, kanthi cara sing nggumunake lan ora pati ngerti. Nalika unit dhasar informasi klasik yaiku bit, unit informasi kuantum sing paling dhasar yaiku qubit. Informasi klasik diukur nganggo entropi Shannon, dene analog mekanik kuantum yaiku entropi Von Neumann. Esambel statistik sistem mekanik kuantum ditondoi kanthi matriks kepadatan. Akeh ukuran entropi ing teori informasi klasik uga bisa digeneralisasi kanggo kasus kuantum, kayata entropi Holevo lan entropi kuantum bersyarat.
Ora kaya negara digital klasik (sing diskrèt), sawijining qubit dianggep terus-terusan, bisa diterangake kanthi arah ing bal Bloch. Sanajan terus-terusan diajeni kanthi cara iki, qubit minangka unit informasi kuantum sing paling cilik, lan sanajan negara qubit terus-terusan, ora bisa ngukur nilai kasebut kanthi tepat. Lima teorema sing misuwur nggambarake watesan manipulasi informasi kuantum:
- teorema no-teleportasi, sing nyatakake yen qubit ora bisa diowahi dadi bit klasik; yaiku, ora bisa "diwaca" kanthi lengkap,
- teorema tanpa kloning, sing nyegah qubit sing sewenang-wenang disalin,
- teorema ora-mbusak, sing nyegah qubit sewenang-wenang saka dibusak,
- téoréma no-broadcasting, sing ngalangi qubit kasepakatan dikirim menyang sawetara panampa, sanajan bisa diangkut saka panggonan menyang panggonan (contone liwat teleportasi kuantum),
- Teorema ora ndhelikake, sing nuduhake konservasi informasi kuantum, Teorema kasebut mbuktekake manawa informasi kuantum ing jagad iki dilestarikake lan mbukak kemungkinan unik ing pangolahan informasi kuantum.
Pangolahan informasi kuantum
Kahanan qubit ngemot kabeh informasi. Negara iki kerep ditulis minangka vektor ing bal Bloch. Negara iki bisa diganti kanthi nggunakake transformasi linear utawa gerbang kuantum. Transformasi kesatuan kasebut diterangake minangka rotasi ing Bloch Sphere. Nalika gerbang klasik cocog karo operasi logika Boolean sing akrab, gerbang kuantum minangka operator kesatuan fisik.
Amarga volatilitas sistem kuantum lan ora bisa nyalin negara, nyimpen informasi kuantum luwih angel tinimbang nyimpen informasi klasik. Nanging, kanthi nggunakake koreksi kesalahan kuantum, informasi kuantum isih bisa disimpen kanthi dipercaya. Anane kode koreksi kesalahan kuantum uga nyebabake kemungkinan komputasi kuantum toleran fault.
Bit klasik bisa dienkode lan banjur dijupuk saka konfigurasi qubit, liwat panggunaan gerbang kuantum. Dhewe, siji qubit bisa ngirim ora luwih saka siji informasi klasik sing bisa diakses babagan persiapane. Iki minangka teorema Holevo. Nanging, ing superdense coding pangirim, kanthi tumindak ing salah siji saka loro entangled qubits, bisa ngirim loro bit saka informasi diakses bab negara gabungan menyang panrima.
Informasi kuantum bisa dipindhah, ing saluran kuantum, padha karo konsep saluran komunikasi klasik. Pesen kuantum duwe ukuran sing winates, diukur ing qubit; saluran kuantum duwe kapasitas saluran winates, diukur ing qubits per detik.
Informasi kuantum, lan owah-owahan ing informasi kuantum, bisa diukur kanthi kuantitatif kanthi nggunakake analog saka entropi Shannon, sing diarani entropi von Neumann.
Ing sawetara kasus, algoritma kuantum bisa digunakake kanggo nindakake komputasi luwih cepet tinimbang algoritma klasik sing dikenal. Conto sing paling misuwur yaiku algoritma Shor sing bisa faktor nomer ing wektu polinomial, dibandhingake karo algoritma klasik paling apik sing njupuk wektu sub-eksponensial. Amarga faktorisasi minangka bagéyan penting saka safety enkripsi RSA, algoritma Shor nyebabake lapangan anyar kriptografi pasca-kuantum sing nyoba nemokake skema enkripsi sing tetep aman sanajan komputer kuantum lagi diputer. Conto algoritma liyane sing nuduhake supremasi kuantum kalebu algoritma telusuran Grover, ing ngendi algoritma kuantum menehi kacepetan kuadrat liwat algoritma klasik sing paling apik. Kelas kerumitan masalah sing bisa dipecahake kanthi efisien dening komputer kuantum dikenal minangka BQP.
Distribusi kunci kuantum (QKD) ngidini transmisi informasi klasik sing aman tanpa syarat, ora kaya enkripsi klasik, sing bisa dirusak ing prinsip, yen ora ana ing praktik. Elinga yen sawetara titik subtle babagan safety QKD isih dibahas.
Sinau babagan kabeh topik lan beda ing ndhuwur kalebu teori informasi kuantum.
Hubungane karo mekanika kuantum
Mekanika kuantum yaiku sinau babagan cara sistem fisik mikroskopis owah kanthi dinamis ing alam. Ing bidang teori informasi kuantum, sistem kuantum sing ditliti diabstraksi adoh saka mitra donya nyata. Sawijining qubit bisa uga sacara fisik minangka foton ing komputer kuantum optik linier, ion ing komputer kuantum ion sing kepepet, utawa bisa uga minangka kumpulan atom sing akeh kaya ing komputer kuantum superkonduktor. Preduli saka implementasine fisik, watesan lan fitur saka qubits diwenehake dening teori informasi kuantum tetep minangka kabeh sistem iki matématis diterangake dening apparatus padha Kapadhetan matriks liwat nomer Komplek. Bedane penting liyane karo mekanika kuantum yaiku, nalika mekanika kuantum kerep nyinaoni sistem dimensi tanpa wates kayata osilator harmonik, teori informasi kuantum gegayutan karo sistem variabel kontinu lan sistem dimensi terbatas.
Komputasi kuantum
Komputasi kuantum minangka jinis komputasi sing nggunakake sifat kolektif negara kuantum, kayata superposisi, interferensi, lan entanglement, kanggo nindakake petungan. Piranti sing nindakake komputasi kuantum dikenal minangka komputer kuantum.: I-5 Sanajan komputer kuantum saiki cilik banget kanggo ngungguli komputer biasa (klasik) kanggo aplikasi praktis, dipercaya bisa ngrampungake masalah komputasi tartamtu, kayata faktorisasi integer. (sing ndasari enkripsi RSA), luwih cepet tinimbang komputer klasik. Sinau babagan komputasi kuantum minangka subbidang ilmu informasi kuantum.
Komputasi kuantum diwiwiti ing taun 1980 nalika fisikawan Paul Benioff ngusulake model mekanik kuantum mesin Turing. Richard Feynman lan Yuri Manin banjur nyaranake manawa komputer kuantum duweni potensi kanggo nyimulake samubarang sing ora bisa ditindakake dening komputer klasik. Ing taun 1994, Peter Shor ngembangake algoritma kuantum kanggo faktoring integer kanthi potensial kanggo dekripsi komunikasi sing dienkripsi RSA. Ing taun 1998 Isaac Chuang, Neil Gershenfeld lan Mark Kubinec nggawe komputer kuantum rong qubit pisanan sing bisa nindakake komputasi. Senadyan kemajuan eksperimen sing terus ditindakake wiwit pungkasan taun 1990-an, umume peneliti percaya yen "komputasi kuantum toleran fault isih dadi impen sing rada adoh." Ing taun-taun pungkasan, investasi ing riset komputasi kuantum saya tambah akeh ing sektor publik lan swasta. Ing tanggal 23 Oktober 2019, Google AI, kanthi kemitraan karo US National Aeronautics and Space Administration (NASA), ngaku wis nindakake komputasi kuantum sing ora bisa ditindakake ing komputer klasik apa wae, nanging manawa klaim iki bener utawa isih bener, dadi topik riset aktif.
Ana sawetara jinis komputer kuantum (uga dikenal minangka sistem komputasi kuantum), kalebu model sirkuit kuantum, mesin Turing kuantum, komputer kuantum adiabatik, komputer kuantum siji arah, lan macem-macem automata seluler kuantum. Model sing paling akeh digunakake yaiku sirkuit kuantum, adhedhasar bit kuantum, utawa "qubit", sing meh padha karo bit ing komputasi klasik. Qubit bisa ana ing negara kuantum 1 utawa 0, utawa ing superposisi saka negara 1 lan 0. Nalika diukur, Nanging, tansah 0 utawa 1; kemungkinan salah siji asil gumantung ing negara kuantum qubit langsung sadurunge pangukuran.
Upaya kanggo mbangun komputer kuantum fisik fokus ing teknologi kayata transmons, jebakan ion lan komputer kuantum topologis, sing tujuane nggawe qubit kualitas dhuwur.: 2–13 Qubit iki bisa uga dirancang kanthi beda, gumantung saka model komputasi komputer kuantum lengkap, apa gerbang logika kuantum, anil kuantum, utawa komputasi kuantum adiabatik. Saiki ana sawetara alangan sing signifikan kanggo mbangun komputer kuantum sing migunani. Iku utamané angel kanggo njaga negara kuantum qubits, amarga padha nandhang sangsara saka decoherence kuantum lan kasetyan negara. Mulane komputer kuantum mbutuhake koreksi kesalahan.
Sembarang masalah komputasi sing bisa ditanggulangi dening komputer klasik uga bisa ditanggulangi dening komputer kuantum. Kosok baline, masalah apa wae sing bisa ditanggulangi dening komputer kuantum uga bisa ditanggulangi dening komputer klasik, paling ora ing prinsip diwenehi wektu sing cukup. Ing tembung liya, komputer kuantum manut tesis Church–Turing. Iki tegese nalika komputer kuantum ora menehi kaluwihan tambahan tinimbang komputer klasik ing babagan komputabilitas, algoritma kuantum kanggo masalah tartamtu duwe kerumitan wektu sing luwih murah tinimbang algoritma klasik sing cocog. Utamane, komputer kuantum dipercaya bisa ngatasi masalah tartamtu kanthi cepet sing ora bisa dirampungake dening komputer klasik sajrone wektu sing bisa ditindakake - prestasi sing dikenal minangka "supremasi kuantum." Sinau babagan kompleksitas komputasi masalah babagan komputer kuantum dikenal minangka teori kompleksitas kuantum.
Model komputasi kuantum sing umum nggambarake komputasi ing babagan jaringan gerbang logika kuantum. Model iki bisa dianggep minangka generalisasi linear-aljabar abstrak saka sirkuit klasik. Wiwit model sirkuit iki manut mekanika kuantum, komputer kuantum sing bisa nglakokake sirkuit kasebut kanthi efisien dipercaya bisa diwujudake kanthi fisik.
Memori sing kasusun saka n bit informasi duwe 2 ^ n kemungkinan negara. A vektor sing makili kabeh negara memori mangkono wis 2 ^ n entri (siji kanggo saben negara). Vektor iki dideleng minangka vektor kemungkinan lan nggambarake kasunyatan manawa memori bisa ditemokake ing negara tartamtu.
Ing tampilan klasik, siji entri bakal duwe nilai 1 (yaiku kemungkinan 100% ana ing negara iki) lan kabeh entri liyane bakal nol.
Ing mekanika kuantum, vektor probabilitas bisa digeneralisasi menyang operator kepadatan. Formalisme vektor negara kuantum biasane dikenalake luwih dhisik amarga konseptual luwih prasaja, lan amarga bisa digunakake tinimbang formalisme matriks kepadatan kanggo negara murni, ing ngendi kabeh sistem kuantum dikenal.
komputasi kuantum bisa diterangake minangka jaringan gerbang logika kuantum lan pangukuran. Nanging, pangukuran apa wae bisa ditundha nganti pungkasan komputasi kuantum, sanajan penundaan iki bisa uga mbutuhake biaya komputasi, mula umume sirkuit kuantum nggambarake jaringan sing mung kalebu gerbang logika kuantum lan ora ana pangukuran.
Sembarang komputasi kuantum (yaiku, ing formalisme ndhuwur, sembarang matriks kesatuan liwat n qubits) bisa dituduhake minangka jaringan gerbang logika kuantum saka kulawarga gerbang sing cukup cilik. Pilihan saka kulawarga gapura sing mbisakake konstruksi iki dikenal minangka set gerbang universal, amarga komputer sing bisa mbukak sirkuit kasebut minangka komputer kuantum universal. Siji set umum kalebu kabeh gerbang qubit siji uga gerbang CNOT saka ndhuwur. Iki tegese komputasi kuantum apa wae bisa ditindakake kanthi nglakokake urutan gerbang qubit siji bebarengan karo gerbang CNOT. Sanadyan set gapura iki ora ana watese, bisa diganti karo set gerbang terhingga kanthi narik teorema Solovay-Kitaev.
Algoritma kuantum
Kemajuan nemokake algoritma kuantum biasane fokus ing model sirkuit kuantum iki, sanajan ana pangecualian kaya algoritma adiabatik kuantum. Algoritma kuantum bisa kira-kira dikategorikaké miturut jinis nyepetake sing digayuh liwat algoritma klasik sing cocog.
Algoritma kuantum sing nawakake luwih saka kacepetan polinomial liwat algoritma klasik sing paling dikenal kalebu algoritma Shor kanggo faktoring lan algoritma kuantum sing gegandhengan kanggo ngitung logaritma diskrit, ngrampungake persamaan Pell, lan umume ngrampungake masalah subkelompok sing didhelikake kanggo kelompok terhingga abelian. Algoritma kasebut gumantung marang primitif transformasi Fourier kuantum. Ora ana bukti matematika sing ditemokake sing nuduhake yen algoritma klasik sing padha cepet ora bisa ditemokake, sanajan iki dianggep ora mungkin. ana ing model query kuantum, yaiku model sing diwatesi ing ngendi wates ngisor luwih gampang dibuktekake lan ora kudu nerjemahake kacepetan kanggo masalah praktis.
Masalah liyane, kalebu simulasi pangolahan fisik kuantum saka kimia lan fisika solid-state, perkiraan polinomial Jones tartamtu, lan algoritma kuantum kanggo sistem persamaan linear nduweni algoritma kuantum sing katon menehi percepatan super-polinomial lan BQP-lengkap. Amarga masalah iki BQP-lengkap, algoritma klasik sing padha cepet kanggo wong-wong mau bakal nyatakake yen ora ana algoritma kuantum sing menehi kacepetan super-polinomial, sing dipercaya ora mungkin.
Sawetara algoritma kuantum, kayata algoritma Grover lan amplifikasi amplitudo, menehi kacepetan polinomial liwat algoritma klasik sing cocog. Sanajan algoritma kasebut menehi kacepetan kuadrat sing rada andhap, nanging bisa ditrapake kanthi akeh lan kanthi mangkono menehi kacepetan kanggo macem-macem masalah. Akeh conto kacepetan kuantum sing bisa dibuktekake kanggo masalah pitakon sing ana gandhengane karo algoritma Grover, kalebu algoritma Brassard, Høyer, lan Tapp kanggo nemokake tabrakan ing fungsi loro-kanggo-siji, sing nggunakake algoritma Grover, lan algoritma Farhi, Goldstone, lan Gutmann kanggo ngevaluasi NAND. wit, sing minangka varian saka masalah telusuran.
Aplikasi kriptografi
Aplikasi komputasi kuantum sing misuwur yaiku kanggo serangan ing sistem kriptografi sing saiki digunakake. Faktorisasi integer, sing nyengkuyung keamanan sistem kriptografi kunci umum, dipercaya ora bisa komputasi karo komputer biasa kanggo integer gedhe yen produk saka sawetara nomer prima (contone, produk saka rong prima 300 digit). Minangka perbandingan, komputer kuantum bisa ngatasi masalah iki kanthi efisien nggunakake algoritma Shor kanggo nemokake faktor kasebut. Kemampuan iki bakal ngidini komputer kuantum ngrusak akeh sistem kriptografi sing digunakake saiki, kanthi arti bakal ana algoritma wektu polinomial (ing nomer digit integer) kanggo ngrampungake masalah kasebut. Utamane, umume cipher kunci umum sing populer adhedhasar kesulitan pemfaktoran integer utawa masalah logaritma diskret, sing loro-lorone bisa ditanggulangi kanthi algoritma Shor. Utamane, algoritma RSA, Diffie-Hellman, lan kurva eliptik Diffie-Hellman bisa rusak. Iki digunakake kanggo nglindhungi kaca Web sing aman, email sing dienkripsi, lan akeh jinis data liyane. Nglanggar iki bakal duwe akibat sing signifikan kanggo privasi lan keamanan elektronik.
Ngenali sistem kriptografi sing bisa aman nglawan algoritma kuantum minangka topik sing diteliti kanthi aktif ing bidang kriptografi pasca-kuantum. Sawetara algoritma kunci publik adhedhasar masalah liyane saka faktorisasi integer lan masalah logaritma diskret sing ditrapake algoritma Shor, kaya sistem crypto McEliece adhedhasar masalah ing teori coding. Cryptosystems basis kisi uga ora dikenal rusak dening komputer kuantum, lan nemokake algoritma wektu polynomial kanggo mecahaken masalah subgroup didhelikake dihedral, kang bakal break akeh cryptosystems basis kisi, iku masalah mbukak uga sinau. Wis kabukten yen nglamar algoritma Grover kanggo ngrusak algoritma simetris (kunci rahasia) kanthi brute force mbutuhake wektu sing padha karo kira-kira 2n/2 panyuwunan algoritma kriptografi sing ndasari, dibandhingake karo kira-kira 2n ing kasus klasik, tegese dawa kunci simetris èfèktif setengah: AES-256 bakal duwe keamanan padha marang serangan nggunakake algoritma Grover sing AES-128 wis marang klasik brute-force search (ndeleng ukuran Key).
Kriptografi kuantum duweni potensi nepaki sawetara fungsi kriptografi kunci publik. Mulane, sistem kriptografi basis kuantum bisa luwih aman tinimbang sistem tradisional nglawan peretasan kuantum.
Masalah telusuran
Conto sing paling kondhang saka masalah ngakoni kacepetan kuantum polinomial yaiku panelusuran sing ora terstruktur, nemokake item sing ditandhani saka dhaptar n item ing basis data. Iki bisa ditanggulangi dening algoritma Grover nggunakake O (sqrt (n)) pitakon menyang database, quadratically kurang saka Omega (n) pitakon dibutuhake kanggo algoritma klasik. Ing kasus iki, kauntungan ora mung provable nanging uga optimal: wis ditampilake sing algoritma Grover menehi kemungkinan paling kamungkinan kanggo nemokake unsur sing dikarepake kanggo sembarang nomer golek oracle.
Masalah sing bisa ditanggulangi karo algoritma Grover nduweni sifat ing ngisor iki:
- Ora ana struktur sing bisa digoleki ing koleksi jawaban sing bisa ditindakake,
- Jumlah bisa jawaban kanggo mriksa padha nomer input kanggo algoritma, lan
- Ana fungsi boolean sing ngevaluasi saben input lan nemtokake manawa iku jawaban sing bener
Kanggo masalah karo kabeh sifat iki, wektu mlaku algoritma Grover ing skala komputer kuantum minangka ROOT kothak saka nomer input (utawa unsur ing database), minangka gantos kanggo njongko linear saka algoritma klasik. A kelas umum saka masalah kang algoritma Grover bisa Applied masalah satisfiability Boolean, ngendi database liwat kang algoritma iterates iku kabeh jawaban bisa. Conto lan (bisa) aplikasi iki minangka cracker sandi sing nyoba kanggo guess sandi. Cipher simetris kayata Triple DES lan AES utamane rentan marang serangan kaya iki.
Simulasi sistem kuantum
Wiwit kimia lan nanoteknologi gumantung ing pangerten sistem kuantum, lan sistem kuwi mokal kanggo simulasi ing proses efisien klasik, akeh sing pracaya simulasi kuantum bakal dadi salah siji saka aplikasi paling penting komputasi kuantum. Simulasi kuantum uga bisa digunakake kanggo simulasi prilaku atom lan partikel ing kahanan mboten umum kayata reaksi ing collider. Simulasi kuantum bisa uga digunakake kanggo prédhiksi jalur partikel lan proton ing mangsa ngarep ing superposisi ing eksperimen celah ganda. [rujukan?] Kira-kira 2% saka output energi global taunan digunakake kanggo fiksasi nitrogen kanggo ngasilake amonia kanggo proses Haber ing tetanèn. industri pupuk nalika organisme alami uga ngasilake amonia. Simulasi kuantum bisa digunakake kanggo mangerteni proses iki nambah produksi.
Kuantum anil lan optimisasi adiabatik
Quantum annealing utawa komputasi kuantum Adiabatik gumantung ing teorema adiabatik kanggo nindakake petungan. A sistem diselehake ing lemah negara kanggo Hamiltonian prasaja, kang alon-alon ngalami évolusi menyang Hamiltonian luwih rumit kang lemah negara makili solusi kanggo masalah ing pitakonan. Teorema adiabatik nyatakake yen evolusi cukup alon sistem bakal tetep ing kahanan lemah ing kabeh wektu liwat proses.
learning machine
Wiwit komputer kuantum bisa ngasilake output sing ora bisa diprodhuksi dening komputer klasik kanthi efisien, lan amarga komputasi kuantum minangka aljabar linier dhasar, sawetara pangarep-arep kanggo ngembangake algoritma kuantum sing bisa nyepetake tugas pembelajaran mesin. Contone, algoritma kuantum kanggo sistem persamaan linear, utawa "Algoritma HHL", dijenengi miturut panemune Harrow, Hassidim, lan Lloyd, dipercaya bisa nyepetake mitra klasik. Sawetara klompok riset bubar njelajah panggunaan hardware anil kuantum kanggo nglatih mesin Boltzmann lan jaringan saraf jero.
Biologi komputasional
Ing bidang biologi komputasi, komputasi kuantum nduweni peran gedhe kanggo ngrampungake akeh masalah biologi. Salah sawijining conto sing kondhang yaiku babagan genomik komputasi lan kepiye komputasi wis nyuda wektu kanthi drastis kanggo ngurutake genom manungsa. Amarga kepiye biologi komputasi nggunakake model lan panyimpenan data umum, aplikasi kasebut ing biologi komputasi uga bakal muncul.
Desain obat sing dibantu komputer lan kimia generatif
Model kimia generatif jero muncul minangka alat sing kuat kanggo nyepetake panemuan obat. Nanging, ukuran gedhe lan kerumitan ruang struktural kabeh molekul kaya obat bisa nyebabake alangan sing signifikan, sing bisa diatasi ing mangsa ngarep dening komputer kuantum. Komputer kuantum kanthi alami apik kanggo ngrampungake masalah kuantum akeh awak lan kanthi mangkono bisa dadi instrumental ing aplikasi sing nglibatake kimia kuantum. Mulane, siji bisa nyana model generatif kuantum-meningkat kalebu GAN kuantum pungkasanipun bisa dikembangaké dadi algoritma kimia generatif pokok. Arsitektur hibrida nggabungake komputer kuantum karo jaringan klasik jero, kayata Quantum Variational Autoencoders, wis bisa dilatih ing annealer sing kasedhiya kanggo komersial lan digunakake kanggo ngasilake struktur molekul kaya obat-obatan.
Ngembangake komputer kuantum fisik
tantangan
Ana sawetara tantangan teknis kanggo mbangun komputer kuantum skala gedhe. Fisikawan David DiVincenzo wis nyathet syarat iki kanggo komputer kuantum praktis:
- Bisa skala fisik kanggo nambah jumlah qubit,
- Qubits sing bisa diinisialisasi dadi nilai sewenang-wenang,
- Gerbang kuantum sing luwih cepet tinimbang wektu dekoherensi,
- set gerbang universal,
- Qubits sing bisa diwaca kanthi gampang.
Sumber bagean kanggo komputer kuantum uga angel banget. Akeh komputer kuantum, kaya sing digawe Google lan IBM, butuh helium-3, produk sampingan riset nuklir, lan kabel superkonduktor khusus sing digawe mung dening perusahaan Jepang Coax Co.
Kontrol sistem multi-qubit mbutuhake generasi lan koordinasi sinyal listrik sing akeh kanthi resolusi wektu sing ketat lan deterministik. Iki nyebabake pangembangan pengontrol kuantum sing ngidini interfacing karo qubit. Scaling sistem iki kanggo ndhukung nomer akeh qubits minangka tantangan tambahan.
Dekoherensi kuantum
Salah sawijining tantangan paling gedhe nalika mbangun komputer kuantum yaiku ngontrol utawa ngilangi dekoherensi kuantum. Iki biasane tegese ngisolasi sistem saka lingkungan amarga interaksi karo donya njaba nyebabake sistem decohere. Nanging, sumber decoherence liyane uga ana. Conto kalebu gerbang kuantum, lan getaran kisi lan spin termonuklir latar mburi sistem fisik sing digunakake kanggo ngleksanakake qubit. Decoherence iku ora bisa dibalèkaké, amarga iku èfèktif non-unitary, lan biasane soko sing kudu Highly kontrol, yen ora nyingkiri. Wektu dekoherensi kanggo sistem calon utamane, wektu istirahat transversal T2 (kanggo teknologi NMR lan MRI, uga disebut wektu dephasing), biasane ana ing antarane nanodetik lan detik ing suhu sing sithik. Saiki, sawetara komputer kuantum mbutuhake qubit sing didinginake nganti 20 millikelvin (biasane nggunakake kulkas pengenceran) kanggo nyegah dekoherensi sing signifikan. Panaliten ing taun 2020 ujar manawa radiasi ionisasi kayata sinar kosmik bisa nyebabake sistem tartamtu rusak sajrone milidetik.
Akibaté, tugas sing mbutuhake wektu bisa nyebabake sawetara algoritma kuantum ora bisa digunakake, amarga njaga status qubit kanthi wektu sing cukup suwe bakal ngrusak superposisi kasebut.
Masalah kasebut luwih angel kanggo pendekatan optik amarga skala wektu minangka urutan gedhene luwih cendhek lan pendekatan sing asring diarani kanggo ngatasi yaiku mbentuk pulsa optik. Tingkat kesalahan biasane sebanding karo rasio wektu operasi lan wektu dekoherensi, mula operasi apa wae kudu rampung luwih cepet tinimbang wektu dekoherensi.
Kaya sing diterangake ing teorema ambang kuantum, yen tingkat kesalahan cukup cilik, dikira bisa nggunakake koreksi kesalahan kuantum kanggo nyegah kesalahan lan dekoherensi. Iki ngidini wektu pitungan total luwih suwe tinimbang wektu dekoherensi yen skema koreksi kesalahan bisa mbenerake kesalahan luwih cepet tinimbang dekoherensi. Angka sing kerep disebutake kanggo tingkat kesalahan sing dibutuhake ing saben gerbang kanggo komputasi fault-tolerant yaiku 10−3, kanthi asumsi gangguan kasebut depolarisasi.
Patemon kondisi skalabilitas iki bisa kanggo sawetara saka sudhut sistem. Nanging, panggunaan koreksi kesalahan nggawa biaya jumlah qubit sing dibutuhake. Nomer sing dibutuhake kanggo faktor integer nggunakake algoritma Shor isih polinomial, lan dianggep ana ing antarane L lan L2, ing ngendi L yaiku jumlah digit ing nomer sing bakal difaktorake; algoritma koreksi kesalahan bakal inflate tokoh iki dening faktor tambahan saka L. Kanggo nomer 1000-dicokot, iki gawe katut sing perlu kanggo bab 104 bit tanpa koreksi kesalahan. Kanthi koreksi kesalahan, angka kasebut bakal munggah nganti 107 bit. Wektu komputasi kira-kira L2 utawa kira-kira 107 langkah lan ing 1 MHz, kira-kira 10 detik.
Pendekatan sing beda banget kanggo masalah stabilitas-dekoherensi yaiku nggawe komputer kuantum topologi karo anyons, partikel kuasi sing digunakake minangka benang lan ngandelake teori jalinan kanggo mbentuk gerbang logika sing stabil.
Kaunggulan kuantum
Supremasi kuantum minangka istilah sing diciptakake dening John Preskill sing nuduhake prestasi teknik sing nuduhake manawa piranti kuantum sing bisa diprogram bisa ngatasi masalah sing ngluwihi kemampuan komputer klasik sing paling canggih. Masalah kasebut ora perlu migunani, mula sawetara ndeleng tes supremasi kuantum mung minangka pathokan ing mangsa ngarep.
Ing Oktober 2019, Google AI Quantum, kanthi bantuan NASA, dadi sing pertama ngaku wis entuk supremasi kuantum kanthi nindakake petungan ing komputer kuantum Sycamore luwih saka 3,000,000 kaping luwih cepet tinimbang sing bisa ditindakake ing Summit, umume dianggep paling cepet ing donya. komputer. Pratelan iki banjur ditantang: IBM wis nyatakake yen Summit bisa nindakake conto luwih cepet tinimbang sing diklaim, lan peneliti wiwit ngembangake algoritma sing luwih apik kanggo masalah sampling sing digunakake kanggo ngaku supremasi kuantum, menehi pangurangan substansial utawa nutup celah antarane Sycamore lan Sycamore. superkomputer klasik.
Ing Desember 2020, klompok ing USTC ngetrapake jinis sampling Boson ing 76 foton kanthi komputer kuantum fotonik Jiuzhang kanggo nduduhake supremasi kuantum. Penulis ngaku manawa superkomputer kontemporer klasik mbutuhake wektu komputasi 600 yuta taun kanggo ngasilake jumlah conto sing bisa diowahi prosesor kuantum sajrone 20 detik. Ing 16 November 2021 ing puncak komputasi kuantum IBM nampilake mikroprosesor 127-qubit sing jenenge IBM Eagle.
Implementasi fisik
Kanggo ngleksanakake komputer kuantum kanthi fisik, akeh calon sing digoleki, ing antarane (dibedakake karo sistem fisik sing digunakake kanggo mujudake qubit):
- Komputasi kuantum superkonduktor (qubit dileksanakake dening negara sirkuit superkonduktor cilik, persimpangan Josephson)
- Komputer kuantum ion kepepet (qubit dileksanakake dening negara internal ion kepepet)
- Atom netral ing kisi optik (qubit dileksanakake dening negara internal atom netral sing kepepet ing kisi optik)
- Komputer kuantum dot, basis spin (contone, komputer kuantum Loss-DiVincenzo) (qubit sing diwenehake dening negara spin elektron sing kepepet)
- Komputer kuantum dot, basis spasial (qubit diwenehi posisi elektron ing titik kuantum dobel)
- Komputasi kuantum nggunakake sumur kuantum sing direkayasa, sing bisa nggawe konstruksi komputer kuantum sing bisa digunakake ing suhu kamar
- Kawat kuantum sing digandhengake (qubit dileksanakake dening sepasang kabel kuantum sing digandhengake karo kontak titik kuantum)
- Komputer kuantum resonansi magnetik nuklir (NMRQC) dileksanakake kanthi resonansi magnetik nuklir saka molekul ing solusi, ing ngendi qubit diwenehake dening spin nuklir ing molekul sing dibubarake lan diselidiki nganggo gelombang radio.
- Komputer kuantum NMR Kane solid-state (qubit sing diwujudake dening negara spin nuklir donor fosfor ing silikon)
- Komputer kuantum elektron-on-helium (qubit yaiku spin elektron)
- Cavity quantum electrodynamics (CQED) (qubit sing diwenehake dening kahanan internal atom sing kepepet ditambah karo rongga finesse dhuwur)
- Molecular magnet (qubit diwenehi dening negara spin)
- Komputer kuantum ESR basis Fullerene (qubit adhedhasar spin elektronik atom utawa molekul sing dibungkus fullerene)
- Komputer kuantum optik nonlinier (qubit sing diwujudake kanthi ngolah negara saka macem-macem mode cahya liwat unsur linier lan nonlinier)
- Komputer kuantum optik linier (qubit sing diwujudake kanthi ngolah kahanan saka macem-macem mode cahya liwat unsur linier kayata pangilon, pemisah sinar lan shifter fase)
- Komputer kuantum berbasis berlian (qubit sing diwujudake kanthi spin elektronik utawa nuklir saka pusat lowongan nitrogen ing berlian)
- Komputer kuantum berbasis kondensat Bose-Einstein
- Komputer kuantum basis transistor - komputer kuantum string kanthi bolongan positif nggunakake jebakan elektrostatik
- Komputer kuantum berbasis kristal anorganik langka-bumi-logam-ion-doped (qubit diwujudake kanthi kahanan elektronik internal dopan ing serat optik)
- Komputer kuantum berbasis karbon nanospheres kaya logam
- Jumlah calon sing akeh nuduhake yen komputasi kuantum, sanajan kemajuan cepet, isih ana ing tahap awal.
Ana sawetara model komputasi kuantum, sing dibedakake karo unsur dhasar ing ngendi komputasi diurai. Kanggo implementasi praktis, papat model komputasi sing relevan yaiku:
- Array gerbang kuantum (komputasi didekomposisi dadi urutan gerbang kuantum sawetara-qubit)
- Komputer kuantum siji-arah (komputasi diurai dadi urutan pangukuran siji-qubit sing ditrapake kanggo negara wiwitan utawa negara kluster sing rumit banget)
- Komputer kuantum adiabatik, adhedhasar anil kuantum (komputasi diurai dadi transformasi terus-terusan alon saka Hamiltonian awal dadi Hamiltonian pungkasan, sing kahanan lemah ngemot solusi)
- Komputer kuantum topologi (komputasi diurai dadi kepang saka anyon ing kisi 2D)
Mesin Turing kuantum sacara teoritis penting nanging implementasi fisik model iki ora bisa ditindakake. Kabeh papat model komputasi wis ditampilake padha; saben bisa simulasi liyane karo ora luwih saka overhead polinomial.
Kanggo ngerteni kanthi rinci babagan kurikulum sertifikasi, sampeyan bisa nggedhekake lan nganalisa tabel ing ngisor iki.
Kurikulum Sertifikasi Fundamental Informasi Kuantum EITC/QI/QIF referensi materi didaktik akses terbuka ing wangun video. Proses sinau dipérang dadi struktur langkah-langkah (program -> pelajaran -> topik) sing nyakup bagean kurikulum sing cocog. Konsultasi tanpa wates karo ahli domain uga diwenehake.
Kanggo rincian mriksa prosedur Sertifikasi Cara kerjane.
Cathetan kuliah utama
Cathetan kuliah U. Vazirani:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
Cathetan kuliah sing ndhukung
L. Jacak dkk. cathetan kuliah (kanthi bahan tambahan):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
Buku teks pendukung utama
Buku teks Komputasi Kuantum & Informasi Kuantum (Nielsen, Chuang):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
Cathetan kuliah tambahan
Cathetan kuliah J. Preskill:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
A. Cathetan ceramah bocah:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
Cathetan kuliah S. Aaronson:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
Cathetan kuliah R. de Wolf:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
Buku teks liyane sing disaranake
Komputasi Klasik lan Kuantum (Kitaev, Shen, Vyalyi)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
Komputasi Kuantum Wiwit Democritus (Aaronson)
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
Teori Informasi Kuantum (Watrous)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
Teori Informasi Kuantum (Wilde)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
Unduh materi persiapan sinau mandiri offline lengkap kanggo program EITC/QI/QIF Quantum Information Fundamentals ing file PDF
Bahan persiapan EITC/QI/QIF - versi standar
Bahan persiapan EITC/QI/QIF - versi lengkap kanthi pitakonan review