Квантовый компьютер И квантовая информатика Елена Гомонай

Квантовый компьютер И квантовая информатика Елена Гомонай

План Что такое квантовая информатика? Идея и принципы квантовых вычислений Идеи квантовых алгоритмов (Шор, Гровер) Архитектура КК, соотношения между квантовым и классическим уровнем программирования

Современные учебники по архитектуре программного обеспечения QCC: функции QIR v Унифицированное представление модели вычислений (ex. : Адиабатические КВ -> Квантовые цепи (quantum circuit)) v Высокоуровневая оптимизация кода v Снижение “технологической” зависимости программного обеспечения

Архитектура ПО: программирование Вселенной QCC: функции и описание QASM v Отображение представления квантового алгоритма в эквивалентный набор инструкций v RISC ассемблерный язык, дополненный квантовыми инструкциями v Состоит из однокубитних унитарных гейтов, CNOT гейтов и инструкций, описывающих измерения

Что такое квантовая информатика? D-Wave КИ – это дисциплина, изучающая проблемы обработки и передачи информации с использованием квантовых свойств информационных систем

Зачем это нужно? “Hacking” crypto Keeping secrets Data search speed up Bioinformatics Outer space opening Fundamental problems Factorization of 256 -digit number: Classic – 2 N 1070 years Quantum – N 2 ~ 10 seconds

От Эйнштейна до Orionа 1935 – A. Einstein сомневается в адекватности квантовой механики 1982 – R. Feynman предсказывает возможность квантовых вычислений 2010 – D-Wave Systems представляют 128 разрядный процессор

Квантовые биты= кубиты

Квантовый vs классический Квантовый Параллельные вычисления Вычисления: обратимая эволюция Интерференция состояний обязательна Ввод/вывод: измерение Классический Последовательные вычисления Вычисления: измерение (необратимая эволюция) Интерференция состояний нежелательна Ввод/вывод: измерение

Классический Квантовый Classical Software Input-output Quantum Interface Algorithms Boolean logic Quantum logic System codes Physical basis Hardware

Цель: квантовый параллелелизм

Принципы работы КК Квантовый паралелелизм: суперпозиция состояний n кубитов Вычисление – обратимая эволюция квантового состояния Запись информации – измерение или релаксация Считывание информации – оптимальное (обощенное) измерение Передача квантовой информации – телепортация состояний

Универсальность Бит Кубит

Обратимость

Кодирование и считывание 0 Prob=cos 2 Prob=sin 2 1

1 B 0 B B AB A 0 A 1 A

Алгоритм Шора Квантовий алгоритм - Poly n~n 2 Классический алгоритм - 2 n (сортировка) n=256 Tquant = 10 с, Tclass=1070 лет

Схема алгоритма

Состояния

Квантовое преобразование Фурье |1 |x 0+r |x 0+2 r |x 0 |0 |x 0+3 r |x 0+5 r |x 0+4 r a) |x 0+3 r |x 0+5 r |x 0+4 r b)

Ответ

Квантовая коммуникация: телепортация состояния Копия Бодя Мусор Аня Сканер X Оригинал A Пара Белла Б Б

Как это работает Оригинал Измерение «Копия»

Почему все не просто: критерии ди Винченцо Масштабирование, возможность адресации Масштабирование отдельным кубитам (различимость) Инициализация = возможность перевести кубит в основное состояние Устойчивость: деког >> опер Устойчивость Управляемость: CNOT, XOR Управляемость Считывание = измерение состояния отдельного кубита

Квантовая пропасть Есть Надо ~5 <100 Шум Технологии # кубитов # операций ? >1000 >109 Ошибки Алгоритмы 25

Квантовая информатика: Нобелевская премия - 2012 «за основополагающие экспериментальные методы, позволившие измерять и манипулировать состоянием отдельных квантовых частиц" Serge Haroche: использует атомы для изучения фотонов David J. Wineland: использует фотоны для изучения атомов

Может ли быть Нобелевский результат в Украине? Да. Проездом…

Проблема управления: обратная связь Измерение Сигнал Детектор Шум Обратная связь

Порблема квантового управления Взаимодействие Кубит Прибор

Квантовая петля обратной связи Стандартные компоненты: Ø Сенсор (quantum): атомы-измерители Ø Контроллер (классич. ): Классич. Комп. Ø Актуатор (классич. ): управление источник микроволн состояние Feedback protocol: Ø Inject initial coherent field into the cavity Ø Send one-by-one atoms in a Ramsey configuration Ø Detection of each atom projects cavity field r into a new state (weak measurement) Ø Calculate displacement a, which maximizes overlap F between rtarget and rdisp Ø Close feedback loop by injecting a control coherent field |a Ø Repeat feedback cycles until success when F ≈1

Реальная установка 40 kg Cu @ 0. 8 K атомы

Повелитель ионов Лазер мазер Ионы нейтрал. Вакуум чип 0, 003 К 300 К David Wineland

Квантовые интегральные микросхемы Ø Все функциональные элементы Ø Квантово-классическое управление 33

Ловушка для ионов 34

7 -куьиный процессор

Масштабирование Класичний контролер системи Система лазеров Микроэлектроника Оптичные контроллер и Ионые ловушки Модель реализации Измер. оптика

Архитектура

Архитектура программного обеспечения (soft) Четырехуровневая система QIR=Quantum Intermediate Representation QASM=Quantum Assembly Language QPOL=Quantum Physical Operations Language QCC=Quantum Computer Compiler

Пример применения

Квантовая криптография: лидеры Charles Bennett William Gil Brassard Wootters

Выводы Квантовые системы обрабатывают информацию быстрее Для обработки квантовой информации нужны новые принципы Задача ПМ: квантовые принципы+ математические методы

Спасибо за внимание! 42