miniatura Un calculator cuantic sau computer cuantic, folosește proprietățile cuantice ale materiei, cum ar fi suprapunerea și inseparabilitatea, pentru a efectua operațiuni pe date. Spre deosebire de calculatoarele clasice care efectuează operații logice folosind biți (șiruri binare, de 0 și 1) și tranzistori, calculatoarele cuantice operează prin controlul comportamentului particulelor de qubiți, sau biți cuantici, care pot avea simultan mai multe poziții (1 și 0 în același timp), ceea ce înseamnă că pot procesa un număr enorm de rezultate potențiale simultan. Computerele cuantice sunt cotate cu un rating în ceea ce privește volumul cuantic, care ia în calcul numărul total de qubiți. Deși există deja prototipuri de calculatoare cuantice, ele nu pot efectua în prezent decât sarcini similare cu cele realizate de un computer normal, dar mult mai rapid.
Caracteristici Un calcul cuantic constă în următoarele: inițializarea sistemului cuantic, aplicarea unei secvențe de operații care modifică starea sistemului și efectuarea operației de măsurare. Cu excepția operației de măsurare, toate operațiile care se efectuează asupra unui sistem cuantic trebuie să fie reversibile. Aceste operații sunt descrise prin operatori unitari. Scopul calculului cuantic este găsirea unor algoritmi considerabil mai rapizi decât algoritmii clasici care rezolvă aceeași problemă și a unor algoritmi care rezolvă probleme de calcul imposibil de rezolvat în calculul clasic.
Computația cuantică operează cu un alt tip de logică – folosindu-se de legile mecanicii cuantice pentru efectuarea de diverse operații. Qubiții sunt diferiți de biții clasici întrucât sunt caracterizați de mai mult de două stări posibile. Pot avea stări multiple, superpoziții de stări – de pildă pot lua valoarea 0 sau 1, sau 0-1 ori 0+1 ori 0 AND 1, toate în același timp. Aceasta este o proprietate a fizicii cuantice numită „suprapunere”.
Corelativitatea cuantică sau „inseparabilitatea cuantică” (engleză: quantum entanglement) este o proprietate a sistemelor cuantice care descrie legături subtile, complet contraintuitive și foarte strânse care se manifestă între acestea și reprezintă cheia acestor posibilități computaționale. În contextul corelativității cuantice se poate vorbi de o procesare paralelă – prelucrarea în paralel a multor informații, nerealizabilă în cazul procesoarelor clasice și sistemelor de operare moderne. Calculatorul cuantic. O introducere scientia.ro
Primul computer cuantic ce funcționa în afara unui laborator, IBM Q System One, a fost prezentat în 2019 la Consumer Electronics Show (CES) în Las Vegas. VIDEO. Primul computer cuantic comercial. Cum arată și ce poate face digi24.ro, 10.01.2019
Algoritmi cuantici Algoritmii cuantici sunt în general folosiți pentru a studia proprietăți globale ale unei funcții sau ale unei secvențe de date (de exemplu, pentru a găsi perioada unei funcții, media unei secvențe, etc.).
Una dintre cele mai importante probleme în calculul cuantic este găsirea algoritmilor cuantici. Foarte puțini dintre ei sunt cunoscuți, deoarece nu există principii generale de găsire a versiunii cuantice a unui algoritm clasic. Există urmatoarele tipuri posibile de algoritmi cuantici:
Algoritmul Deutsch-Jozsa: primul algoritm cuantic, cel mai simplu exemplu de algoritm cuantic care întrece în eficiență un algoritm clasic. Acest algoritm distinge între o funcție f: {0,1}→{0,1} care este constantă și una care este balansată (balanced). O funcție este balansată dacă ia valoarea 0 pentru exact jumătate din valorile posibile ale argumentului și valoarea 1 pentru cealaltă jumătate (funcția este balansată dacă f ( 0 ) ≠ f ( 1 ). Algoritmul Simon: este înrudit cu algoritmul Deutsch-Jozsa Algoritmul Grover: algoritm de căutare, descoperit de Lov Grover Algoritmul Shor: găsit de Peter Shor, este utilizat pentru factorizarea eficientă a unui număr mare folosind entanglement-ul qubiților și principiul superpoziției Algoritmul Euclid: se folosește pentru găsirea celui mai mare divizor comun al numerelor întregi p și q, notat cmdc (p, q). curs_calcul_cuantic-pag. 24 … 47 solid.fizica.unibuc.roUniversitatea Ștefan cel Mare Suceava. Facultate de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor. Teză de doctorat -rezumat- Algoritmi cuantici de căutare usv.ro
Registrul cuantic Registrul cuantic funcționează aproape la fel ca cel clasic. Acesta este un șir de biți cuantici, peste care se pot efectua operațiuni logice cu un bit și doi biți (similar cu utilizarea NOT, 2AND-NOT, etc., într-un registru clasic).
Corecția erorilor Calculatoarele cuantice sunt susceptibile unor erori cauzate de ”zgomot” și de pierderea coerenței cuantice – pierderea proprietăților cuantice a qubitului și reducerea sa la un simplu bit.
”Incoerența cuantică” poate fi cauzată de diferite interacțiuni cu mediul exterior (cum ar fi variații electromagnetice sau de temperatură). Tocmai din acest motiv, actualele sisteme cuantice au o probabilitate mică să livreze rezultate corecte, chiar și pentru operații mai simple, conform aceleeași publicații online.
Erorile pot fi corectate prin intermediul schemelor de corecție cuantică – un proces care consumă o parte din qubiți. Numărul acestora determină capacitatea sistemelor cuantice de a realiza operații din ce în ce mai complexe, iar utilizarea schemelor de corecție ridică problema achiziționării unor sisteme care nu funcționează în conformitate cu specificațiile inițiale.
Primul algoritm cuantic de corectare a erorilor a fost algoritmul Shor, apărut în 1995, și propus de Peter Shor. curs_calcul_cuantic – pag. 68 ...80 solid.fizica.unibuc.ro
Limbaje de programare Din categoria limbajelor de programare cuantică se pot menționa:
Quantum Computation Language (QCL): limbaj de programare cuantică de nivel înalt, scris în C++. Este open-source și rulează sub Linux. Poate lucra pe orice arhitectură de calculator cuantic bazat pe qubiți, cât și un limbaj de simulare a calculului cuantic.Prima versiune a apărut în 1998, iar versiunea actuală a apărut în 2006.
Q#: folosit pentru a simula algoritmi cuantici dezvoltat de Microsoft. Versiunea beta a fost lansată pe 11 decembrie 2017 (Microsoft Quantum Development Kit Preview1). Acest limbaj este inclus în Visual Studio prin descărcarea kitului de dezvoltare Quantum Microsoft.
Quantum Superpositions: bibliotecă Perl care permite programatorilor să utilizeze variabile care pot păstra mai multe valori în același timp. Versiunea 1.03 a apărut în 2000. Versiunea curentă (2.02) a apărut în aprilie 2003.
Quantum Entanglement: librărie Perl, apărută în 2002, care permite utilizatorilor să pună variabile într-o superpoziție de stări, să interacționeze între ele și să le observe.
Q-gol: limbaj de programare de nivel înalt care permite descrierea de algoritmi proiectați pentru a rula pe computere cuantice.
Quantum Fog: aplicație Macintosh pentru modelarea situațiilor fizice care prezintă comportament cuantic. Este un instrument pentru investigarea și discutarea grafică a problemelor de măsurare cuantică în termeni de de rețele cuantice Bayesiene. Simulează un calculator cuantic pentru scop general. A apărut în 1997, iar versiunea curentă este 2.0, apărută în 2006.
QDD: bibliotecă C++ care oferă un set relativ intuitiv de construcții de calcul cuantic în contextul unui mediu de programare C++. Emularea calcului cuantic se bazează pe reprezentarea BDD (Binary Decision Diagram) a stărilor cuantice (spre deosebire de QCL care utilizează reprezentarea prin numere complexe). Include o implementare a algoritmului lui Shor. Versiunea 0.2 a fost lansată în septembrie 1999, versiunea 0.3 este în februarie 2003.
Quantum Lambda Calculus (qlambda): limbaj funcțional bazat pe Scheme pentru exprimarea și simularea algoritmilor cuantici. List of QC simulators quantiki.org
Componenta hardware Hardware-ul unui calculator cuantic este foarte complex, întrucât sistemele cuantice sunt sensibile și trebuie izolate de factori externi (pentru a preveni colapsul superpoziției cuantice). Printre metodele de realizare a componentelor hardware sunt: Qubiții supraconductori sunt cea mai populară metodă pentru construirea calculatoarelor cuantice. Acești qubiți sunt circuite minuscule realizate din materiale supraconductoare, valorificând fenomenul de coerență și stările de superpoziție cuantică la scară macroscopică. Ca avantaj quibiții supraconductori sunt ușor de integrat în tehnologiile actuale, dar impun folosirea unor tehnici avansate de corecție a erorilor. Realizarea de qubiți cu ajutorul capcanelor de ioni este metodă în care se folosesc pulsuri laser pentru a capta și manipula starea cuantică a unor ioni. Acest tip de calculator are nevoie de puține corecții, dar are o viteză de calcul destul de lentă, față de alte metode. Qubiți topologici. Această metodă se bazează pe folosirea cvasiparticulelor, care sunt colectivități de particule care se comportă ca una singură (precum anyonii), avantajele oferite fiind faptul că aceste computere cuantice sunt insensibile la erori și sunt extrem de stabile. Însă, sunt foarte complexe din punct de vedere experimental și teoretic.
Cronologie 1980 - La începutul anilor 1980, au început să apară primele teorii care indicau posibilitatea efectuării de calcule de natură cuantică.
1981 - Ideile esențiale ale calculelor cuantice au aparținut lui Paul Benioff, care a lucrat la Argonne National Laboratory, din Illinois, S.U.A.. El și-a imaginat un computer tradițional (mașină Turing) care funcționa cu unele principii ale mecanicii cuantice.
1982 - Richard Feynman, fizician la California Institute of Technology și câștigător al Premiului Nobel în 1965, a susținut o prezentare în cadrul primei conferințe de fizică computerizată, desfășurată la Massachusetts Institute of Technology. În discursul său, intitulat Simularea fizicii cu computerele, a propus utilizarea fenomenelor cuantice pentru efectuarea calculelor. Feynman a afirmat că, având în vedere natura lor, unele calcule extrem de complexe vor fi efectuate mai rapid într-un computer cuantic.
1985 - David Deutsch, fizician israelian la Universitatea Oxford, a publicat articolul “Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer”, în care a descris primul computer cuantic universal, capabil să simuleze orice alt computer cuantic (principiul Church-Turing). Ideea inovatoare era aceea că un computer cuantic ar putea executa diferiți algoritmi cuantici.
1989: în articolul "Quantum computational networks", Deutsch a descris al doilea model pentru calculul cuantic: circuitele cuantice. El a demonstrat că porțile cuantice pot fi combinate pentru a realiza calcule cuantice în același mod în care porțile logice pot fi combinate pentru a realiza calcule clasice.
1992: a apărut algoritmul Deutsch-Jozsa care a ilustrat avantajul calculului cuantic față de calculul clasic.
1993 - Dan Simon, din departamentul de cercetare Microsoft (Microsoft Research), a comparat modelul clasic de probabilitate cu modelul cuantic și concluziile sale au servit ca bază pentru dezvoltarea unor algoritmi viitori (cum ar fi algoritmul Shor).
1993 - Charles Benett de la IBM Research din New York, descoperă teleportarea cuantică și deschide o nouă cale de cercetare către dezvoltarea comunicațiilor cuantice.
1994 - Peter Shor, om de știință american de la Bell Laboratories, a definit algoritmul care îi poartă numele, algoritmul Shor. Un an mai târziu, el a propus un sistem de corectare a erorilor în calcul cuantic.
1995: termenul “qubit” a fost propus de Benjamin Schumacher.
1996 - Lov Grover a inventat algoritmul de căutare a datelor care îi poartă numele, algoritmul Grover. La fel ca restul algoritmilor cuantici, este un algoritm probabilistic cu o rată mare de succes.