Ich bin derzeit ein Gymnasiast, der Quantencomputing erforscht. Ich wurde von Google und einem Freund auf diese Seite verwiesen. Derzeit forsche ich am Qubit-Teil des Quantencomputings. Meine Frage ist genau, wie Qubits im Labor erstellt und wie verschränkt werden? Ich erwarte nicht, dass die Antworten unglaublich spezifisch sind, aber ein allgemeiner Überblick wäre sehr hilfreich.
Nehmen Sie ein Proton (der Kern von Wasserstoff - überall im Wasser), das einen Spin hat, und da es geladen ist, hat es einen Nord- und einen Südpol. Wenn Sie ihn messen, zeigt der Nordpol in Ihrem Instrument entweder nach oben oder unten. Wenn Sie es in ein Magnetfeld einbetten, möchte es sich mit diesem Feld ausrichten, aber es kann nicht einfach, weil es sich wie ein kleines Gyroskop dreht, also präzediert es wie ein Kreisel. Die Rate, mit der es präzediert, hängt von der Stärke des Feldes ab, und das kann erkannt werden, und so haben Sie die kernmagnetische Resonanz, die überall in MRI-Geräten verwendet wird.
Indem Sie das Feld manipulieren, können Sie das Proton in einen Zustand versetzen, in dem es "zwischen" oben und unten ist. Wenn Sie es messen, wird es entweder das eine oder das andere sein, aber bevor Sie es messen, befindet es sich in einer Mischung von Zuständen, die als "Überlagerung" bezeichnet wird.
Wenn Sie eine Anzahl von ihnen haben, wie zum Beispiel vier, können Sie sie alle in einen gemischten Zustand versetzen, indem Sie das Feld manipulieren. Aber es ist nicht wie vier unabhängige Mischungen. Vielmehr ist es eine Mischung aus 16 möglichen Zuständen. Wenn Sie alle auf einmal messen, könnten Sie eine der 16 möglichen Antworten erhalten.
Jeder dieser Zustände in der Überlagerung ist eine vollständig spezifizierte Kombination von Bits, es ist also so, als würden 16 verschiedene 4-Bit-Computer parallel laufen, aber sie führen alle dasselbe Programm zur gleichen Zeit aus. Das „Programm“ besteht aus magnetischen Impulsfolgen, die alle Zustände gleichzeitig beeinflussen. Das nennt man „Quantenparallelität“, und Sie können sehen, dass Sie 2^N Berechnungen parallel durchführen können, wenn Sie genügend Qubits in diese Überlagerung stecken können, in der jede der 2^N-Kombinationen gleich wahrscheinlich ist.
Nehmen Sie dann an, dass eine dieser Berechnungen zu einem Ergebnis führt, das Sie wissen möchten. Sie müssen das Ergebnis durch Messen erhalten, aber das ist kompliziert zu erklären und kann für diese Antwort etwas zu viel sein.
PS Einer der interessanten Aspekte der Quantenberechnung ist, dass sie reversibel sein muss . Wenn Sie also einen Algorithmus haben, den Sie auf einem Quantencomputer ausführen möchten, müssen Sie sicherstellen, dass der Algorithmus genauso gut rückwärts wie vorwärts ausgeführt werden kann. Wenn Sie also beispielsweise eine Zustandsmaschine haben, bei der entweder Zustand A oder Zustand B in Zustand C übergehen kann, funktioniert sie in einem Quantencomputer nicht, es sei denn, es gibt eine gewisse Erinnerung daran, wie C eingegeben wurde, sodass der Zustandsübergang " unfertig".
PPS Lassen Sie mich einen weiteren Versuch unternehmen, wie Sie die Ergebnisse aus einem Quantencomputer herausholen. Die Methode, mit der ich vertraut bin, ist der Suchalgorithmus von Lov Grover, um in einer unsortierten Tabelle zu suchen. Wenn die Tabelle M Einträge enthält, erstellen Sie eine Überlagerung mit M Zuständen, von denen einer "erfolgreich" sein wird. Da Sie Informationen nur durch Messen erhalten können, müssen Sie die Wahrscheinlichkeitsamplituden der Zustände so anpassen, dass der erfolgreiche Zustand eine hohe Wahrscheinlichkeit hat, sodass Sie ihn beim Messen am wahrscheinlichsten sehen werden . Dies geschieht durch eine Manipulation, die einen Teil der Wahrscheinlichkeit von den erfolglosen Zuständen auf den erfolgreichen überträgt. Dann wird die Berechnung rückwärts bis zum Anfang ausgeführt, dann wieder vorwärts ausgeführt, und die Wahrscheinlichkeitsübertragungsoperation wird erneut ausgeführt. Dies wird mehrmals durchgeführt, bis der erfolgreiche Zustand fast alle Wahrscheinlichkeit hat. Es ist wichtig, dies nicht zu oft zu tun, da es den gegenteiligen Effekt haben wird.
Es gibt viele Möglichkeiten, ein Qubit herzustellen, die beliebteste Methode für Laborarbeiten ist die Verwendung einer Ionenfalle - ein Ion ist in einer Mischung aus oszillierenden und statischen elektrischen Feldern enthalten (Wikipedia „Paul-Falle“). Dies ergibt zwei Qubits – den elektrischen Zustand des Ions und seinen Schwingungsmodus – und hat den Vorteil, dass es gut von der Umgebung getrennt ist (das Dekohären dauert also lange), ist jedoch für einen Quantencomputer als Kombination nicht sehr praktisch der Ionenfallen ist sehr schwierig. Es gibt auch die zusätzliche Arbeit, Impulse aufzuteilen, sodass eine einzelne Operation in ungefähr 3 Operationen aufgeteilt wird, um zu verhindern, dass das Ion außerhalb der Berechnungsbasis angeregt wird (dh wenn Sie den Grundzustand und den ersten angeregten Zustand verwenden). , ist es möglich, ihn durch Verwendung eines großen Pulses in den zweiten angeregten Zustand anzuregen).
Einer der erfolgreichsten Quantencomputer wurde mit Flüssig-NMR hergestellt, wobei dasselbe synthetische Molekül in einer Flüssigkeit suspendiert wurde. Dies wurde verwendet, um Shors Algorithmus (ganzzahlige Faktorisierung) auf der Zahl 15 unter Verwendung von 7 Qubits auszuführen. Die Verwendung synthetischer Moleküle für einen Quantencomputer ist jedoch wiederum nicht sehr praktisch, da längere Ketten schneller dekohärent werden und die Frequenzen der Kerne dichter beieinander liegen, was es schwieriger (und schließlich praktisch unmöglich) macht, sie einzeln zu adressieren.
Einer der aktuellen Vorstöße ist die Herstellung eines Festkörper-Quantencomputers, der entweder Elektronenspin oder Kernspin als Qubits verwendet, da die Erfahrung mit klassischem Festkörper-Computing sehr hoch ist. Aber es gibt einige Nachteile, der Elektronenspin in GaAs (ein übliches Material, das für Quantenpunkte verwendet wird) dekohärt normalerweise in etwa 250 us, was für die Berechnungen nicht sehr lange dauert. Daher wurde die Verwendung von Phosphor vorgeschlagen, da sein Kernspin möglicherweise in der Größenordnung von Stunden anhalten könnte, wenn er auf ein Siliziumgitter aufgebracht wird. Während seine ähnliche Größe bedeuten würde, dass es sehr gut in das Siliziumgitter passen könnte, ist es sehr schwierig, es so zu platzieren, dass sich jedes P-Atom in einer regelmäßigen Anordnung befindet – es verwendet den Dotierungsprozess, aber im Gegensatz zur Herstellung von p- und n-Material, das Zufälligkeit des Dopings ist ein schwerwiegender Nachteil, da Sie mehrere P-Atome in einer Zelle bekommen können und dann keine in anderen. Die Universität Cambridge (und andere) führen derzeit einige interessante Arbeiten zu einer anderen Methode durch – die Verwendung von akustischen Oberflächenwellen, um ein sich bewegendes Elektron einzuschließen (siehehttp://www.sp.phy.cam.ac.uk/SPWeb/research/sawqc.html ) - dies sieht so aus, als könnte es für einen potenziellen Quantencomputer verwendet werden, ist aber wiederum durch die Spin-Dekohärenzzeit begrenzt.
Der größte hergestellte Quantencomputer ist der D-Wave One (http://www.dwavesys.com/en/products-services.html), aber er funktioniert nicht so, wie ein Quantencomputer sollte - er tut es Es werden keine Gates implementiert, stattdessen wird ein Netzwerk von Doppelmuldenpotentialen verwendet, um den niedrigsten Energiezustand des Systems zu finden (was sie als programmiertes Energiemodell bezeichnen). Es verwendet supraleitende Ringe, um die Qubits zu implementieren, wobei im Uhrzeigersinn Spin-down und gegen den Uhrzeigersinn Spin-up ist.
Qubits können auch mithilfe von Laserpulsen hergestellt werden, wobei das Qubit die Polarisation des Photons ist und die Gates mithilfe von Optiken implementiert werden – aber das ist ungefähr alles, was ich darüber weiß.
Alles in allem Dinge, die Sie als Qubit verwenden könnten
(Als grobe Richtlinie erfordert die Verwendung des Shor-Algorithmus (ohne Fehlerkorrektur) zum Faktorisieren einer 512-Bit-Zahl ~ 2500 Qubits und 10 Gates, der größte Quantencomputer, den ich kenne, hat 7 Qubits (ohne D-Wave), also sollte dies Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie weit wir von Quantencomputern entfernt sind.)
Die Verschränkung erfordert, dass zwei Qubits interagieren und dass ihr Zustand nicht trennbar ist. Zwei Qubits können so geschrieben werden, dass sie den folgenden Zustand haben:
NB hoffentlich ist dies kein zu hohes Niveau für Sie, es gibt einige nette Übersichtsartikel in einigen Zeitschriften, aber ich bin mir nicht sicher, ob Sie Zugang zu ihnen haben werden. Ein gutes Buch für allgemeine Hintergrundinformationen ist „Principles of Quantum Computation and Information: Vol 1: Basic Concepts“ von Benenti, Casatio & Strini.