Азбука квантових обчислень: 35 термінів, які допоможуть розібратися в технології

А

алгоритму квантових обчисленнях - набір операцій, які треба здійснити, щоб вирішити задачу на

квантовий комп'ютер.Інформація вводиться у квантовий комп'ютер як послідовності нулів і одиниць: бітів інформації. Однак у процесі обчислення квантовий комп'ютер оперує змішаними станами — кубитами, у кожному є частина нуля і одиниці. Саме тому квантові алгоритми від класичних. Наприкінці обчислення квантовий вимір знову робить послідовність нулів та одиниць.

Всі ілюстрації з книги Олексія Кавокіна

Б

Боротьба з декогеренції- один із методів корекції помилок обчислень, що виробляються квантовими комп'ютерами. Чим ефективніша боротьба, тим достовірнішими будуть результати роботи квантових алгоритмів.

В

Хвильова функція- функція, яка використовується в квантовіймеханіці для опису так званого «чистого стану системи». Вона задає ймовірність знаходження системи в тому чи іншому стані. Квантове вимір призводить до колапсу хвильової функції: ймовірності всіх станів, крім одного, звертаються в нуль.

Г

Геометрія, квантоваметод опису об'єктів, розмір яких настільки малий, що такі класичні поняття, як траєкторія і швидкість, до них вже не застосовні.

Д

декогеренції- процес порушення когерентності (постійностірізниці фаз хвильових функцій - "Хайтек") кубітів в результаті взаємодії системи з навколишнім середовищем. Іншими словами, декогеренція - виникнення заплутаності між квантовою системою та оточенням. Саме вона є джерелом помилок під час обчислень. Щоб уповільнити її, необхідно ізолювати кубити та знизити вплив зовнішніх факторів. Насправді це реалізується, наприклад, охолодженням кубитів до наднизьких температур.

Е

Ємність, квантова- Величина, яка визначається як зміна електричного заряду щодо зміни електрохімічного потенціалу. Квантову ємність ще називають хімічною чи електрохімічною ємністю.

Ж

Рідина, квантова- це рідина, властивості якої визначаютьсяквантовими ефектами. Прикладом квантової рідини є надплинний гелій II - рідина з нульовою в'язкістю. Надплинний гелій проникає в скільки завгодно вузькі капіляри.

З

Замок, квантовий- Конфігурація магнітного поля, що фіксуєпредмет у тривимірному просторі. Найбільш яскравий приклад: левітація постійного магніту над надпровідником за рахунок виштовхування магнітного поля надпровідником. Ефект застосовується в поїздах на магнітній подушці, таких як найшвидший поїзд у світі MAGLEV, що перевозить пасажирів з аеропорту Шанхаю до центру міста.

І

Іони- Електрично заряджені частинки, утворюються в результаті втрати або приєднання електронів до атома або молекули. Якщо позитивний заряд, іон називають катіоном, якщо негативний — аніоном.

До

квантові комп'ютери- Обчислювальні пристрої, які використовуютьявище квантової суперпозиції станів передачі та обробки даних. Логічні операції в квантових комп'ютерах проводяться за допомогою кубітів, що приймають безліч значень, на відміну від бітів класичного комп'ютера, що приймають лише два можливі значення: «0» і «1». Квантова інтегральна схема дозволяє проводити операції над усіма можливими станами системи одночасно, суттєво збільшуючи швидкість проведення операцій. Це дозволяє квантовим комп'ютерам вирішувати завдання, пов'язані з вибором одного рішення з множини, набагато більш ефективно, ніж це роблять класичні комп'ютери.

кубіт- Квантовий аналог транзистора.Це найменший елемент для зберігання інформації у квантовому комп'ютері. Якщо транзистор зберігає класичний біт інформації, який набуває значення «0» або «1», то кубит зберігає квантовий біт інформації, значення якого може бути довільною лінійною комбінацією «0» і «1».

квазічастинка- Квант електронного збудження в кристалі.Найбільш відомі квазичастинки - електрони та дірки, що переносять електричний заряд у напівпровідникових транзисторах. Електрон-квазічастка відрізняється від електрона - елементарної частки масою: він набагато легший. Ефективна маса квазічастинки визначається властивостями кристала. Кванти світла, фотони, проходячи через кристал, утворюють квазічастинки "рідкого світла" - поляритони. Плазмони, фонони, магнони, ексітони - це квазічастинки, що описують різні види коливань у кристалі. Квазичастиця ніколи не виходить за межі свого кристала.

Л

пастка Пауля— один із різновидів електромагнітних пасток, призначений для утримання, уповільнення та зберігання заряджених мікрочастинок, зокрема іонів, протягом певного часу.

Схематичний вигляд іонної пастки. Джерело: mipt.ru

М

матриця щільностіодин з основних способів опису стануквантовомеханічної системи. Якщо хвильова функція придатна тільки для опису чистих станів (див. чистий стан системи), то матриця щільності придатна для роботи як з чистими, так і змішаними станами, у тому числі з переплутаними станами, які важливі для квантових комунікацій.

Механіка, квантова- Розділ теоретичної фізики, що описуєфізичні явища у мікросвіті. Квантова механіка була створена на початку XX століття у відповідь на кілька парадоксів, які не могла пояснити класична фізика. Досі точаться суперечки про філософську інтерпретацію квантової механіки, деякі положення якої суперечать матеріалістичній картині світу.

Н

невизначеністьу квантових обчисленнях - принцип, якийговорить, що неможливо одночасно знати і точне становище, і точну швидкість частки. Так, якщо ми розуміємо, де зараз знаходиться частка, ми не можемо визначити її швидкість. Якщо ми знаємо швидкість, то не можемо визначити координати. Принцип невизначеності сформулював німецький фізик Вернер Гейзенберг.

Про

Об'єм, квантовий- спеціалізована характеристика, якуввела компанія IBM для вимірювання «якості» квантових комп'ютерів. Квантовий обсяг зростає тільки при одночасному збільшенні числа кубітів і зменшенні числа помилок при роботі над ними. А значить, недостатньо тільки підвищувати число кубітів - при збереженні кількості помилок обсяг рости не буде.

Оптика, квантова- Розділ оптики, який займається вивченнямявищ, де явно проявляються квантові властивості світлового випромінювання, включаючи теплове випромінювання та фотоефект. Квантова оптика заснована на уявленні про світло як про потік квантів - фотонів.

П

поляритон- Квазичастиця «рідкого світла».Поляритони виникають завдяки взаємодії квантів світла, фотонів, зі збудженими станами кристала: екситонами, фононами, плазмонами або магнонами. Поляритони поєднують властивості світла із властивостями матеріальних частинок.

Джерело: garyconklinglifenotes.wordpress.com

Перевага- в квантових обчисленнях це здатністьквантових комп'ютерів вирішувати деякі проблеми принципово швидше, ніж будь-який класичний комп'ютер. Зі збільшенням складності проблеми час, який витрачає на її рішення квантовий комп'ютер, зростає значно повільніше, ніж час, який буде потрібно для її вирішення класичного комп'ютера.

Р

Радіація- поширення енергії в формі випромінювання.Часто під радіацією на увазі іонізуюче випромінювання, яке може викликати руйнування живих клітин. Нещодавно фізики виявили, що радіація скорочує час когерентності квантових станів надпровідних кубітів, а значить, квантові комп'ютери на надпровідниках повинні повинні будуть володіти радіаційним захистом.

З

Симулятор, квантовий -квантова обчислювальна система, націлена навирішення однієї або кількох однотипних завдань. Квантові симулятори здатні імітувати властивості та поведінку реальних квантових систем. Їхня робота здійснюється без допомоги механізму корекції помилок, що дозволяє створювати симулятори за допомогою меншої кількості кубитів, ніж те, що знадобилося б універсальному квантовому комп'ютеру.

Суперпозиціяв квантової теорії - поєднання властивостей різнихквантових станів частинки (тобто станів з різними енергіями або швидкостями). Частка існує одночасно в двох або декількох станах до тих пір, поки акт вимірювання не знаходить її в одному з станів. Так досвідчений гравець в хованки непомітно переходить з однієї кімнати в іншу, ховаючись всюди одночасно до тих пір, поки його не виявлять в одній з кімнат.

Т

Тунельний ефект- можливість подолання мікрочастинокпотенційного бар'єру. Ілюстрацією до цього ефекту може бути колобок, який котиться по рівній дорозі і наближається до гірці. У класичному світі колобок не зможе подолати досить високу гору з розбігу. У квантової реальності у нього є можливість подолати перешкоду в будь-якому випадку, як ніби прорив тунель під горою.

Тьюринг, Алан- Видатний англійський математик, творецьпершого комп'ютера Під час Другої Світової війни він керував групою вчених, які створили «бомбу Тьюринга» — обчислювальну машину, яка зламала шифр німецької криптографічної системи «Енігма».

У

Універсальний квантовий комп'ютер- програмований обчислювальний прилад,заснований на використанні квантових обчислювальних алгоритмів. Його особливістю на відміну квантового симулятора є необхідність використання квантової процедури корекції помилок. Це призводить до різкого зростання кількості кубитів у процесорі комп'ютера і робить реалізацію такого процесора вкрай складним технічним завданням.

Ф

Фотон- Найпоширеніша елементарна частка вВсесвіту, квант електромагнітного випромінювання. Фотон переносить електромагнітну взаємодію, не має маси та заряду, пересувається у вакуумі з найвищою з можливих швидкостей – швидкістю світла. Фотони можна уявити у вигляді повітряних кульок, наповнених водою. Хвилі на поверхні води несуть інформацію про частоту, фазу та поляризацію світла. Отримати цю інформацію можна лише продірявивши кульку, тобто знищивши/поглинувши фотон.

Х

Хаос, квантовий- розділ фізики, який вивчає, якхаотичні класичні системи може бути описані з погляду квантової механіки. Система вважається хаотичною, якщо невелике відхилення у її початковому стані призводить до радикальних змін у її подальшій еволюції.

Ц

Колір квантовий.Це квантове число, одна з характеристик кварків і глюонів, елементарних частинок. Квантовий колір не має нічого спільного зі звичайним кольором, тобто з довжиною хвилі світла.

Ч

Чистий стан системи- стан, який можна описати хвильовийфункцією. Як правило, чисті стану живуть недовго: вони руйнуються за рахунок процесів декогерентності. Переплутані квантові стани не є чистими.

Ш

Шредінгер, Ервін— австрійський вчений, один із батьків-засновниківквантової механіки Він запропонував уявний експеримент, який демонструє парадоксальну безглуздість принципу квантової суперпозиції. У закриту шухляду поміщається живий кіт і пристрій, що складається з лічильника Гейгера з невеликою кількістю радіоактивної речовини всередині, колби з отрутою та спеціального механізму. Імовірність того, що один із радіоактивних атомів розпадеться протягом години, дорівнює 50%. Розпад атома повинен спричинити спрацювання механізму, який розбиває колбу з отрутою. Як тільки колба виявляється розбита, кіт вмирає. Поки ящик закритий, ми не знаємо, чи живий кіт чи мертвий. З погляду квантової механіки він одночасно і живий, і мертвий. Тільки вимір (розтин ящика) проектує квантовий стан кота на класичний базис: кіт виявляється або живим, або мертвим.

Е

Емулятор- це програма, яка дозволяє відтворювативластивості систем для квантових обчислень на класичних комп'ютерах. Завдяки емуляторам ми можемо досліджувати потенціал технології квантових обчислень: демонструвати алгоритми, пробувати методи придушення помилок і квантові коди корекції помилок

Ексітон -квазічастинка, що складається з двох іншихквазічастинок: позитивно зарядженої дірки та негативно зарядженого електрона. Ексітон має таку саму структуру енергетичних рівнів, як атом водню. На відміну від атомів водню, ексітони нестабільні. Їхній час життя, як правило, не перевищує однієї мільярдної частки секунди. Зникаючи, ексітони передають свою енергію квантам світла – фотонам.

Ю

Юнга досвід- Експеримент Томаса Юнга дозволивпродемонструвати інтерференцію та дифракцію світла - явища, які послужили доказом справедливості хвильової теорії світла. Згодом цей досвід повторювався для потоку електронів. Вимірювання показали, як і світло, і матерія можуть виявляти властивості як хвиль, і частинок.

Я

Мова квантового програмування— особлива мова програмування, що даєможливість описувати квантові алгоритми на вирішення різних завдань. В даний час існує кілька мов квантового програмування, включаючи QPL, QCL, Haskell-подібний QML, Quipper, Q#, Q, qGCL, cQPL.

Читайте також:

Дослідники вперше занурилися до самого глубоколежащих потонулого корабля

Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?

З'явилася бездротова система, яка допомагає паралізованим