EITC/QI/QIF क्वान्टम सूचना आधारभूतहरू

क्वान्टम जानकारीको इतिहास 20 औं शताब्दीको मोडमा सुरु भयो जब क्लासिकल फिजिक्सलाई क्वान्टम फिजिक्समा क्रान्ति गरिएको थियो। शास्त्रीय भौतिकीका सिद्धान्तहरूले पराबैंगनी प्रकोप, वा न्यूक्लियसमा सर्पिल हुने इलेक्ट्रोनहरू जस्ता बेतुका कुराहरू भविष्यवाणी गरिरहेका थिए। सुरुमा यी समस्याहरूलाई शास्त्रीय भौतिकशास्त्रमा तदर्थ परिकल्पना थपेर हटाइएको थियो। चाँडै, यो स्पष्ट भयो कि यी बेतुका कुराहरू बुझ्नको लागि नयाँ सिद्धान्त सिर्जना गर्नुपर्छ, र क्वान्टम मेकानिक्सको सिद्धान्तको जन्म भयो।

क्वान्टम मेकानिक्स श्रोडिङगरले वेभ मेकानिक्स र हाइजेनबर्गले म्याट्रिक्स मेकानिक्स प्रयोग गरेर तयार पारेका थिए। यी विधिहरूको समानता पछि प्रमाणित भयो। तिनीहरूको ढाँचाले माइक्रोस्कोपिक प्रणालीहरूको गतिशीलता वर्णन गर्यो तर मापन प्रक्रियाहरू वर्णन गर्दा धेरै असंतोषजनक पक्षहरू थिए। भोन न्यूम्यानले अपरेटर बीजगणितको प्रयोग गरेर क्वान्टम सिद्धान्त तयार गरे जसरी यसले मापन र गतिशीलता वर्णन गर्दछ। यी अध्ययनहरूले मापन मार्फत जानकारी निकाल्ने मात्रात्मक दृष्टिकोणको सट्टा मापनको दार्शनिक पक्षहरूलाई जोड दिए।

1960s मा, Stratonovich, Helstrom र Gordon ले क्वान्टम मेकानिक्स को उपयोग गरेर अप्टिकल संचार को एक सूत्रीकरण को प्रस्ताव गरे। क्वान्टम सूचना सिद्धान्तको यो पहिलो ऐतिहासिक उपस्थिति थियो। तिनीहरूले मुख्यतया संचारको लागि त्रुटि सम्भावनाहरू र च्यानल क्षमताहरू अध्ययन गरे। पछि, होलेभोले क्वान्टम च्यानल मार्फत शास्त्रीय सन्देशको प्रसारणमा सञ्चार गतिको माथिल्लो सीमा प्राप्त गर्यो।

1970 को दशकमा, एटम ट्र्याप र स्क्यानिङ टनेलिङ माइक्रोस्कोप जस्ता एकल-एटम क्वान्टम अवस्थाहरू हेरफेर गर्ने प्रविधिहरू विकसित हुन थाले, जसले एकल परमाणुहरूलाई अलग गर्न र तिनीहरूलाई एरेहरूमा व्यवस्थित गर्न सम्भव बनायो। यी विकासहरू भन्दा पहिले, एकल क्वान्टम प्रणालीहरूमा सटीक नियन्त्रण सम्भव थिएन, र प्रयोगहरूले ठूलो संख्यामा क्वान्टम प्रणालीहरूमा एकैसाथ नियन्त्रण प्रयोग गर्थे। व्यवहार्य एकल-राज्य हेरफेर प्रविधिको विकासले क्वान्टम जानकारी र गणनाको क्षेत्रमा बढ्दो चासोको नेतृत्व गर्यो।

सन् १९८० को दशकमा आइन्स्टाइनको सापेक्षताको सिद्धान्तलाई खण्डन गर्न क्वान्टम इफेक्टहरू प्रयोग गर्न सम्भव छ कि भनेर चासो देखा पर्‍यो। यदि यो अज्ञात क्वान्टम अवस्था क्लोन गर्न सम्भव थियो भने, आइन्स्टाइनको सिद्धान्तलाई गलत साबित गर्दै, प्रकाशको गति भन्दा छिटो जानकारी प्रसारण गर्न फँसेको क्वान्टम अवस्थाहरू प्रयोग गर्न सम्भव हुनेछ। यद्यपि, नो-क्लोनिङ प्रमेयले यस्तो क्लोनिङ असम्भव छ भनेर देखाएको छ। प्रमेय क्वान्टम सूचना सिद्धान्त को प्रारम्भिक परिणाम मध्ये एक थियो।

क्रिप्टोग्राफीबाट विकास

पृथक क्वान्टम प्रणालीहरू अध्ययन गर्न र सापेक्षताको सिद्धान्तलाई रोक्ने उपाय खोज्ने प्रयासमा सबै उत्साह र चासोको बावजुद, क्वान्टम सूचना सिद्धान्तमा अनुसन्धान 1980 को दशकमा स्थिर भयो। यद्यपि, उही समयमा अर्को एवेन्यूले क्वान्टम जानकारी र गणनामा डुब्न थाल्यो: क्रिप्टोग्राफी। सामान्य अर्थमा, क्रिप्टोग्राफी भनेको एकअर्कालाई विश्वास नगर्ने दुई वा दुईभन्दा बढी पक्षहरू समावेश गरी सञ्चार वा गणना गर्ने समस्या हो।

बेनेट र ब्रासर्डले एक संचार च्यानल विकसित गरे जसमा पत्ता नलागि यो असम्भव छन, BB84 क्वान्टम क्रिप्टोग्राफिक प्रोटोकल प्रयोग गरेर लामो दूरीमा गोप्य रूपमा सञ्चार गर्ने तरिका हो। मुख्य विचार क्वान्टम मेकानिक्सको आधारभूत सिद्धान्तको प्रयोग थियो जुन अवलोकनले अवलोकनलाई बाधा पुर्‍याउँछ, र सुरक्षित सञ्चार लाइनमा इभड्रपरको परिचयले तुरुन्तै कुराकानी गर्न खोज्ने दुई पक्षहरूलाई इभ्सड्रपरको उपस्थितिको बारेमा थाहा पाउनेछ।

कम्प्युटर विज्ञान र गणितबाट विकास

प्रोग्रामेबल कम्प्यूटर वा ट्युरिङ मेसिनको एलन ट्युरिङको क्रान्तिकारी विचारको आगमनसँगै, उहाँले देखाउनुभयो कि कुनै पनि वास्तविक-विश्व गणनालाई ट्युरिङ मेसिन समावेश भएको बराबरको गणनामा अनुवाद गर्न सकिन्छ। यसलाई चर्च–ट्युरिङ थेसिस भनिन्छ।

चाँडै नै, पहिलो कम्प्युटरहरू बनाइयो र कम्प्युटर हार्डवेयर यति द्रुत गतिमा बढ्यो कि उत्पादनमा अनुभवको माध्यमबाट वृद्धिलाई मूरको कानून भनिने अनुभवजन्य सम्बन्धमा संहिताबद्ध गरियो। यो 'कानून' एक प्रोजेक्टिभ प्रवृत्ति हो जसले बताउँछ कि एकीकृत सर्किटमा ट्रान्जिस्टरहरूको संख्या प्रत्येक दुई वर्षमा दोब्बर हुन्छ। प्रति सतह क्षेत्र अधिक शक्ति प्याक गर्न को लागी ट्रान्जिस्टरहरू साना र साना हुन थाले, क्वान्टम प्रभावहरू इलेक्ट्रोनिक्समा देखा पर्न थाले जसको परिणामस्वरूप अनजाने हस्तक्षेप भयो। यसले क्वान्टम कम्प्युटिङको आगमनको नेतृत्व गर्‍यो, जसले एल्गोरिदम डिजाइन गर्न क्वान्टम मेकानिक्स प्रयोग गर्‍यो।

यस बिन्दुमा, क्वान्टम कम्प्युटरहरूले निश्चित विशिष्ट समस्याहरूको लागि शास्त्रीय कम्प्युटरहरू भन्दा धेरै छिटो हुने वाचा देखाए। यस्तो एउटा उदाहरण समस्या डेभिड ड्यूश र रिचर्ड जोज्सा द्वारा विकसित गरिएको थियो, जसलाई Deutsch-Jozsa एल्गोरिथ्म भनिन्छ। यद्यपि यो समस्याले कुनै व्यावहारिक अनुप्रयोगहरू राखेको छैन। पिटर शोर 1994 मा एक धेरै महत्त्वपूर्ण र व्यावहारिक समस्याको साथ आए, पूर्णांकको प्रमुख कारकहरू फेला पार्ने मध्ये एक। अलग लोगारिदम समस्या जसरी यसलाई भनिन्छ, क्वान्टम कम्प्युटरमा कुशलतापूर्वक समाधान गर्न सकिन्छ तर क्लासिकल कम्प्युटरमा होइन त्यसैले क्वान्टम कम्प्युटरहरू ट्युरिङ मेसिनहरू भन्दा बढी शक्तिशाली छन् भनेर देखाउँदछ।

सूचना सिद्धान्तबाट विकास

कम्प्यूटर विज्ञानले क्रान्ति गरिरहेको समयको वरिपरि क्लाउड श्याननको माध्यमबाट सूचना सिद्धान्त र सञ्चार थियो। श्याननले सूचना सिद्धान्तका दुई आधारभूत प्रमेयहरू विकास गरे: आवाजरहित च्यानल कोडिङ प्रमेय र शोररहित च्यानल कोडिङ प्रमेय। उनले यो पनि देखाए कि त्रुटि सच्याउने कोडहरू पठाइँदै जानकारी सुरक्षित गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ।

क्वान्टम सूचना सिद्धान्तले पनि यस्तै प्रक्षेपणलाई पछ्यायो, बेन शूमाकरले 1995 मा क्यूबिट प्रयोग गरेर श्याननको आवाजरहित कोडिङ प्रमेयको एनालॉग बनाए। त्रुटि-सुधारको सिद्धान्त पनि विकसित भयो, जसले क्वान्टम कम्प्युटरहरूलाई आवाजको ख्याल नगरी कुशल गणनाहरू गर्न र शोरयुक्त क्वान्टम च्यानलहरूमा भरपर्दो सञ्चार गर्न अनुमति दिन्छ।

Qubits र सूचना सिद्धान्त

क्वान्टम जानकारी धेरै उल्लेखनीय र अपरिचित तरिकाहरूमा, बिट द्वारा प्रतीक, शास्त्रीय जानकारी भन्दा कडा रूपमा फरक छ। जबकि शास्त्रीय जानकारीको आधारभूत एकाइ बिट हो, क्वान्टम जानकारीको सबैभन्दा आधारभूत एकाइ क्विट हो। शास्त्रीय जानकारी शान्नोन एन्ट्रोपी प्रयोग गरेर मापन गरिन्छ, जबकि क्वान्टम मेकानिकल एनालग भोन न्यूम्यान एन्ट्रोपी हो। क्वान्टम मेकानिकल प्रणालीहरूको एक सांख्यिकीय समूह घनत्व म्याट्रिक्स द्वारा विशेषता हो। शास्त्रीय सूचना सिद्धान्तमा धेरै एन्ट्रोपी उपायहरूलाई क्वान्टम केसमा सामान्यीकरण गर्न सकिन्छ, जस्तै होलेभो एन्ट्रोपी र सशर्त क्वान्टम एन्ट्रोपी।

क्लासिकल डिजिटल अवस्थाहरू (जुन अलग छन्) विपरीत, एक क्यूबिट निरन्तर-मूल्य हुन्छ, ब्लोच क्षेत्रको दिशाद्वारा वर्णन गर्न सकिन्छ। यस तरिकाले निरन्तर मूल्याङ्कन गरिए पनि, क्विट क्वान्टम जानकारीको सबैभन्दा सानो सम्भावित एकाई हो, र क्यूबिट अवस्था निरन्तर-मूल्य भएको भए पनि, यो मूल्यलाई सटीक रूपमा मापन गर्न असम्भव छ। पाँच प्रसिद्ध प्रमेयहरूले क्वान्टम जानकारीको हेरफेरमा सीमाहरू वर्णन गर्दछ:

• नो-टेलिपोर्टेशन प्रमेय, जसले बताउँछ कि क्यूबिटलाई (पूर्ण रूपमा) शास्त्रीय बिट्समा रूपान्तरण गर्न सकिँदैन; अर्थात्, यसलाई पूर्ण रूपमा "पढ्न" सकिँदैन,
• नो-क्लोनिङ प्रमेय, जसले एक मनमानी क्विटलाई प्रतिलिपि हुनबाट रोक्छ,
• नो-मेटिने प्रमेय, जसले एक मनमानी क्विटलाई मेटाउनबाट रोक्छ,
• नो-ब्रोडकास्टिङ प्रमेय, जसले स्वेच्छाचारी क्यूबिटलाई धेरै प्रापकहरूलाई डेलिभर हुनबाट रोक्छ, यद्यपि यसलाई एक ठाउँबाट अर्को ठाउँमा सार्न सकिन्छ (जस्तै क्वान्टम टेलिपोर्टेशन मार्फत),
• कुनै लुकाउने प्रमेय, जसले क्वान्टम जानकारीको संरक्षण प्रदर्शन गर्दछ, यी प्रमेयहरूले ब्रह्माण्ड भित्रको क्वान्टम जानकारी सुरक्षित छ भनेर प्रमाणित गर्दछ र तिनीहरूले क्वान्टम सूचना प्रशोधनमा अद्वितीय सम्भावनाहरू खोल्छन्।

क्वान्टम जानकारी प्रसंस्करण

क्यूबिटको अवस्थाले यसको सबै जानकारी समावेश गर्दछ। यो अवस्था अक्सर ब्लोच क्षेत्र मा एक भेक्टर को रूप मा व्यक्त गरिन्छ। यो अवस्था लाई रैखिक रूपान्तरण वा क्वान्टम गेटहरू लागू गरेर परिवर्तन गर्न सकिन्छ। यी एकात्मक रूपान्तरणहरूलाई ब्लोच क्षेत्रको परिक्रमाको रूपमा वर्णन गरिएको छ। जबकि शास्त्रीय गेटहरू बुलियन तर्कको परिचित अपरेशनहरूसँग मेल खान्छ, क्वान्टम गेटहरू भौतिक एकात्मक अपरेटरहरू हुन्।

क्वान्टम प्रणालीहरूको अस्थिरता र राज्यहरू प्रतिलिपि गर्ने असम्भवताको कारण, क्वान्टम जानकारीको भण्डारण शास्त्रीय जानकारी भण्डारण गर्नु भन्दा धेरै गाह्रो छ। यद्यपि, क्वान्टम त्रुटि सुधारको प्रयोगको साथ क्वान्टम जानकारी अझै पनि सिद्धान्तमा विश्वसनीय रूपमा भण्डारण गर्न सकिन्छ। क्वान्टम त्रुटि सच्याउने कोडहरूको अस्तित्वले गल्ती-सहिष्णु क्वान्टम गणनाको सम्भावना पनि निम्त्याएको छ।
क्लासिकल बिटहरू इन्कोड गर्न सकिन्छ र पछि क्वान्टम गेटहरूको प्रयोग मार्फत, qubits को कन्फिगरेसनहरूबाट पुन: प्राप्त गर्न सकिन्छ। आफैंमा, एकल क्विटले यसको तयारीको बारेमा पहुँचयोग्य शास्त्रीय जानकारीको एक बिट भन्दा बढी बताउन सक्दैन। यो होलेभोको प्रमेय हो। जे होस्, सुपरडेन्स कोडिङमा प्रेषकले दुईवटा उलझाएका क्यूबिटहरूमध्ये एउटामा कार्य गरेर, उनीहरूको संयुक्त अवस्थाको बारेमा दुईवटा पहुँचयोग्य जानकारी प्राप्तकर्तालाई पठाउन सक्छ।
क्वान्टम जानकारी को बारे मा सार्न सकिन्छ, एक क्वान्टम च्यानल मा, एक शास्त्रीय संचार च्यानल को अवधारणा को अनुरूप। क्वान्टम सन्देशहरूको परिमित आकार हुन्छ, क्यूबिट्समा मापन गरिन्छ; क्वान्टम च्यानलहरूको सीमित च्यानल क्षमता हुन्छ, प्रति सेकेन्ड qubits मा मापन गरिन्छ।
क्वान्टम जानकारी, र क्वान्टम जानकारीमा परिवर्तनहरू, मात्रात्मक रूपमा श्यानन एन्ट्रोपीको एनालग प्रयोग गरेर मापन गर्न सकिन्छ, भोन न्यूम्यान एन्ट्रोपी भनिन्छ।
केहि अवस्थाहरूमा क्वान्टम एल्गोरिदमहरू कुनै पनि ज्ञात शास्त्रीय एल्गोरिदम भन्दा छिटो गणना गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। यसको सबैभन्दा प्रख्यात उदाहरण शोरको एल्गोरिदम हो जसले उप-घातीय समय लिने उत्कृष्ट शास्त्रीय एल्गोरिदमको तुलनामा बहुपदीय समयमा संख्याहरू कारक बनाउन सक्छ। फ्याक्टराइजेशन RSA इन्क्रिप्शनको सुरक्षाको एक महत्त्वपूर्ण भाग भएकोले, शोरको एल्गोरिथ्मले क्वान्टम कम्प्युटरहरू खेल्दा पनि सुरक्षित रहन सक्ने एन्क्रिप्शन योजनाहरू फेला पार्ने प्रयास गर्ने पोस्ट-क्वान्टम क्रिप्टोग्राफीको नयाँ क्षेत्रलाई जगायो। क्वान्टम सर्वोच्चता प्रदर्शन गर्ने एल्गोरिदमका अन्य उदाहरणहरूमा ग्रोभरको खोज एल्गोरिदम समावेश छ, जहाँ क्वान्टम एल्गोरिदमले उत्कृष्ट सम्भावित शास्त्रीय एल्गोरिथ्ममा चतुर्भुज गति दिन्छ। क्वान्टम कम्प्युटरद्वारा कुशलतापूर्वक समाधान गर्न सकिने समस्याहरूको जटिलता वर्गलाई BQP भनिन्छ।
क्वान्टम कुञ्जी वितरण (QKD) ले शास्त्रीय इन्क्रिप्शनको विपरीत, शास्त्रीय जानकारीको बिना शर्त सुरक्षित प्रसारणलाई अनुमति दिन्छ, जुन सधैं सिद्धान्तमा तोड्न सकिन्छ, यदि व्यवहारमा छैन भने। ध्यान दिनुहोस् कि QKD को सुरक्षा सम्बन्धी केहि सूक्ष्म बिन्दुहरू अझै पनि तातो बहस छन्।
माथिका सबै विषय र भिन्नताहरूको अध्ययनमा क्वान्टम सूचना सिद्धान्त समावेश छ।

क्वान्टम मेकानिक्सको सम्बन्ध

क्वान्टम मेकानिक्स भनेको कसरी सूक्ष्म भौतिक प्रणालीहरू प्रकृतिमा गतिशील रूपमा परिवर्तन हुन्छ भन्ने अध्ययन हो। क्वान्टम सूचना सिद्धान्तको क्षेत्रमा, अध्ययन गरिएका क्वान्टम प्रणालीहरू कुनै पनि वास्तविक विश्व समकक्षबाट टाढा छन्। उदाहरणका लागि क्यूबिट भौतिक रूपमा लिनियर अप्टिकल क्वान्टम कम्प्युटरमा फोटान हुन सक्छ, फँसिएको आयन क्वान्टम कम्प्युटरमा आयन, वा यो सुपरकन्डक्टिङ क्वान्टम कम्प्युटरमा जस्तै परमाणुहरूको ठूलो संग्रह हुन सक्छ। भौतिक कार्यान्वयनको बावजुद, क्वान्टम जानकारी सिद्धान्त द्वारा निहित क्यूबिट्स को सीमा र विशेषताहरु लाई होल्ड गर्दछ किनकि यी सबै प्रणालीहरु जटिल संख्याहरु मा घनत्व matrices को एउटै उपकरण द्वारा गणितीय वर्णन गरिएको छ। क्वान्टम मेकानिक्ससँग अर्को महत्त्वपूर्ण भिन्नता यो हो कि, क्वान्टम मेकानिक्सले प्राय: हार्मोनिक ओसिलेटर जस्ता अनन्त-आयामी प्रणालीहरू अध्ययन गर्दछ, क्वान्टम सूचना सिद्धान्त दुवै निरन्तर-चर प्रणालीहरू र सीमित-आयामी प्रणालीहरूसँग सम्बन्धित छ।

क्वान्टम गणना

क्वान्टम कम्प्युटिङ एक प्रकारको गणना हो जसले गणना गर्नको लागि क्वान्टम राज्यहरूको सामूहिक गुणहरू, जस्तै सुपरपोजिसन, हस्तक्षेप, र उलझन प्रयोग गर्दछ। क्वान्टम कम्प्युटेशन गर्ने उपकरणहरूलाई क्वान्टम कम्प्युटर भनिन्छ।: I-5 हालका क्वान्टम कम्प्युटरहरू व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूको लागि सामान्य (शास्त्रीय) कम्प्युटरहरू भन्दा धेरै सानो भए तापनि तिनीहरू पूर्णांक कारककरण जस्ता निश्चित कम्प्युटेशनल समस्याहरू समाधान गर्न सक्षम छन् भन्ने विश्वास गरिन्छ। (जसले RSA एन्क्रिप्शनलाई निहित गर्दछ), शास्त्रीय कम्प्युटरहरू भन्दा धेरै छिटो। क्वान्टम कम्प्युटिङको अध्ययन क्वान्टम सूचना विज्ञानको उपक्षेत्र हो।

क्वान्टम कम्प्युटिङ 1980 मा शुरू भयो जब भौतिकशास्त्री पॉल बेनिओफले ट्युरिङ मेसिनको क्वान्टम मेकानिकल मोडेल प्रस्ताव गरे। रिचर्ड फेनम्यान र युरी मनिनले पछि सुझाव दिए कि क्वान्टम कम्प्युटरमा क्लासिकल कम्प्युटरले गर्न नसक्ने कुराहरू सिमुलेट गर्ने क्षमता छ। 1994 मा, पीटर शोरले RSA-इन्क्रिप्टेड संचारहरू डिक्रिप्ट गर्न सक्ने सम्भाव्यताका साथ पूर्णांकहरूको फ्याक्टरिङको लागि क्वान्टम एल्गोरिथ्म विकास गरे। सन् १९९८ मा आइज्याक चुआङ, नील गेर्शेनफेल्ड र मार्क कुबिनेकले गणना गर्न सक्ने पहिलो दुई-क्युबिट क्वान्टम कम्प्युटर बनाए। 1998 को दशकको उत्तरार्धदेखि जारी प्रयोगात्मक प्रगतिको बावजुद, धेरै शोधकर्ताहरूले विश्वास गर्छन् कि "गल्ती-सहिष्णु क्वान्टम कम्प्युटिङ अझै पनि टाढाको सपना हो।" हालका वर्षहरूमा, क्वान्टम कम्प्युटिङ अनुसन्धानमा सार्वजनिक र निजी क्षेत्रहरूमा लगानी बढेको छ। २३ अक्टोबर २०१९ मा, गुगल एआईले युएस नेशनल एरोनटिक्स एन्ड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (नासा) सँगको साझेदारीमा कुनै पनि शास्त्रीय कम्प्युटरमा असम्भव क्वान्टम कम्प्युटेशन गरेको दाबी गर्‍यो, तर यो दाबी वैध थियो वा अझै छ भन्ने विषय हो। सक्रिय अनुसन्धान।

क्वान्टम सर्किट मोडेल, क्वान्टम ट्युरिङ मेसिन, एडियाब्याटिक क्वान्टम कम्प्युटर, एकतर्फी क्वान्टम कम्प्युटर, र विभिन्न क्वान्टम सेलुलर अटोमेटा सहित क्वान्टम कम्प्युटरहरू (क्वान्टम कम्प्युटिङ प्रणाली पनि भनिन्छ) का धेरै प्रकारहरू छन्। सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको मोडेल क्वान्टम सर्किट हो, क्वान्टम बिटमा आधारित, वा "क्विट", जुन शास्त्रीय गणनामा बिटसँग केही हदसम्म समान छ। एक क्यूबिट 1 वा 0 क्वान्टम अवस्थामा, वा 1 र 0 अवस्थाहरूको सुपरपोजिसनमा हुन सक्छ। जब यो मापन गरिन्छ, तथापि, यो सधैं 0 वा 1 हुन्छ; कुनै नतिजाको सम्भाव्यता मापन गर्नु अघि क्विटको क्वान्टम अवस्थामा निर्भर गर्दछ।

ट्रान्समोन्स, आयन ट्र्याप र टोपोलोजिकल क्वान्टम कम्प्युटरहरू जस्ता प्रविधिहरूमा फोकस गर्ने भौतिक क्वान्टम कम्प्युटर निर्माण गर्ने प्रयासहरू, जसले उच्च-गुणस्तरको क्विटहरू सिर्जना गर्ने लक्ष्य राख्छ। चाहे क्वान्टम लॉजिक गेट्स, क्वान्टम एनिलिङ, वा adiabatic क्वान्टम गणना। उपयोगी क्वान्टम कम्प्यूटरहरू निर्माण गर्न हाल धेरै महत्त्वपूर्ण अवरोधहरू छन्। यो विशेष गरी क्युबिट्सको क्वान्टम अवस्थाहरू कायम राख्न गाह्रो छ, किनकि तिनीहरू क्वान्टम डिकोहेरेन्स र राज्य निष्ठाबाट पीडित छन्। त्यसैले क्वान्टम कम्प्युटरहरूलाई त्रुटि सुधार चाहिन्छ।

कुनै पनि कम्प्युटेसनल समस्या जुन क्लासिकल कम्प्युटरद्वारा हल गर्न सकिन्छ, क्वान्टम कम्प्युटरद्वारा पनि समाधान गर्न सकिन्छ। यसको विपरित, क्वान्टम कम्प्युटरद्वारा समाधान गर्न सकिने कुनै पनि समस्यालाई शास्त्रीय कम्प्युटरबाट पनि समाधान गर्न सकिन्छ, कम्तिमा सिद्धान्तमा पर्याप्त समय दिइन्छ। अर्को शब्दमा, क्वान्टम कम्प्यूटरहरूले चर्च-ट्युरिङ थेसिसको पालना गर्छन्। यसको मतलब यो हो कि क्वान्टम कम्प्यूटरहरूले कम्प्युटेबिलिटीको सन्दर्भमा शास्त्रीय कम्प्युटरहरूमा कुनै अतिरिक्त फाइदाहरू प्रदान गर्दैनन्, केही समस्याहरूको लागि क्वान्टम एल्गोरिदमहरू ज्ञात शास्त्रीय एल्गोरिदमहरू भन्दा महत्त्वपूर्ण रूपमा कम समय जटिलताहरू छन्। विशेष रूपमा, क्वान्टम कम्प्यूटरहरूले निश्चित समस्याहरू द्रुत रूपमा समाधान गर्न सक्षम छन् भन्ने विश्वास गरिन्छ जुन कुनै पनि शास्त्रीय कम्प्युटरले कुनै पनि सम्भावित समयमा समाधान गर्न सक्दैन - "क्वान्टम सर्वोच्चता" भनेर चिनिने उपलब्धि। क्वान्टम कम्प्युटरको सन्दर्भमा समस्याहरूको कम्प्युटेशनल जटिलताको अध्ययनलाई क्वान्टम जटिलता सिद्धान्त भनिन्छ।

क्वान्टम गणनाको प्रचलित मोडेलले क्वान्टम तर्क गेट्सको नेटवर्कको सन्दर्भमा गणनालाई वर्णन गर्दछ। यस मोडेललाई शास्त्रीय सर्किटको अमूर्त रैखिक-बीजगणित सामान्यीकरणको रूपमा सोच्न सकिन्छ। यस सर्किट मोडेलले क्वान्टम मेकानिक्सको पालना गरेको हुनाले, यी सर्किटहरूलाई कुशलतापूर्वक चलाउन सक्ने क्वान्टम कम्प्युटरलाई भौतिक रूपमा प्राप्त गर्न सकिने मानिन्छ।

जानकारीको n बिटहरू समावेश भएको मेमोरीमा 2^n सम्भावित अवस्थाहरू छन्। सबै मेमोरी अवस्थाहरू प्रतिनिधित्व गर्ने भेक्टरमा 2^n प्रविष्टिहरू छन् (प्रत्येक राज्यको लागि एउटा)। यो भेक्टरलाई सम्भाव्यता भेक्टरको रूपमा हेरिएको छ र यो तथ्यलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ कि मेमोरी एक विशेष अवस्थामा फेला पार्न सकिन्छ।

शास्त्रीय दृश्यमा, एउटा प्रविष्टिको मान 1 हुनेछ (अर्थात् यस अवस्थामा भएको १००% सम्भावना) र अन्य सबै प्रविष्टिहरू शून्य हुनेछन्।

क्वान्टम मेकानिक्समा, सम्भाव्यता भेक्टरहरूलाई घनत्व अपरेटरहरूमा सामान्यीकरण गर्न सकिन्छ। क्वान्टम स्टेट भेक्टर औपचारिकता सामान्यतया पहिले प्रस्तुत गरिन्छ किनभने यो अवधारणात्मक रूपमा सरल छ, र किनभने यो शुद्ध राज्यहरूको लागि घनत्व म्याट्रिक्स औपचारिकताको सट्टा प्रयोग गर्न सकिन्छ, जहाँ सम्पूर्ण क्वान्टम प्रणाली ज्ञात छ।

क्वान्टम गणनालाई क्वान्टम तर्क गेट्स र मापनको नेटवर्कको रूपमा वर्णन गर्न सकिन्छ। यद्यपि, कुनै पनि मापन क्वान्टम गणनाको अन्त्यमा स्थगित गर्न सकिन्छ, यद्यपि यो स्थगन कम्प्युटेसनल लागतमा आउन सक्छ, त्यसैले धेरैजसो क्वान्टम सर्किटहरूले केवल क्वान्टम तर्क गेटहरू र कुनै मापन नभएको नेटवर्क चित्रण गर्दछ।

कुनै पनि क्वान्टम गणना (जुन माथिको औपचारिकतामा, n qubits माथि कुनै एकात्मक म्याट्रिक्स हो) लाई गेटहरूको एकदम सानो परिवारबाट क्वान्टम तर्क गेटहरूको नेटवर्कको रूपमा प्रतिनिधित्व गर्न सकिन्छ। यस निर्माणलाई सक्षम पार्ने गेट परिवारको छनौटलाई विश्वव्यापी गेट सेट भनिन्छ, किनभने त्यस्ता सर्किटहरू चलाउन सक्ने कम्प्युटर विश्वव्यापी क्वान्टम कम्प्युटर हो। एउटा सामान्य यस्तो सेटमा सबै एकल-क्विट गेटहरू साथै माथिबाट CNOT गेटहरू समावेश छन्। यसको मतलब कुनै पनि क्वान्टम कम्प्युटेशन CNOT गेटहरूसँग एकल-क्विट गेटहरूको अनुक्रम कार्यान्वयन गरेर प्रदर्शन गर्न सकिन्छ। यद्यपि यो गेट सेट अनन्त छ, यसलाई सोलोवे-किताव प्रमेयलाई अपील गरेर सीमित गेट सेटले प्रतिस्थापन गर्न सकिन्छ।

क्वान्टम एल्गोरिदम

क्वान्टम एल्गोरिदमहरू फेला पार्ने प्रगति सामान्यतया यो क्वान्टम सर्किट मोडेलमा केन्द्रित हुन्छ, यद्यपि क्वान्टम एडियाबेटिक एल्गोरिदम जस्ता अपवादहरू अवस्थित छन्। क्वान्टम एल्गोरिदमहरू समान क्लासिकल एल्गोरिदमहरूमा हासिल गरिएको स्पीडअपको प्रकारद्वारा मोटे रूपमा वर्गीकृत गर्न सकिन्छ।

क्वान्टम एल्गोरिदमहरू जसले उत्कृष्ट ज्ञात शास्त्रीय एल्गोरिदममा बहुपद गति भन्दा बढी प्रस्ताव गर्दछ, फ्याक्टरिङको लागि शोरको एल्गोरिदम र असङ्ख्य लोगारिदमहरू कम्प्युट गर्नको लागि सम्बन्धित क्वान्टम एल्गोरिदमहरू, पेलको समीकरण समाधान गर्ने, र सामान्यतया abelian finite समूहहरूको लागि लुकेको उपसमूह समस्या समाधान गर्ने समावेश गर्दछ। यी एल्गोरिदमहरू क्वान्टम फोरियर रूपान्तरणको आदिममा निर्भर हुन्छन्। कुनै पनि गणितीय प्रमाण फेला परेको छैन जसले देखाउँछ कि समान रूपमा द्रुत शास्त्रीय एल्गोरिथ्म पत्ता लगाउन सकिँदैन, यद्यपि यो असम्भव मानिन्छ। क्वान्टम क्वेरी मोडेलमा छ, जुन एक प्रतिबन्धित मोडेल हो जहाँ तल्लो सीमाहरू प्रमाणित गर्न धेरै सजिलो हुन्छ र व्यावहारिक समस्याहरूको लागि स्पीडअपहरूमा अनुवाद गर्न आवश्यक छैन।

अन्य समस्याहरू, रसायन विज्ञान र ठोस-राज्य भौतिकीबाट क्वान्टम भौतिक प्रक्रियाहरूको सिमुलेशन, निश्चित जोन्स बहुपदहरूको अनुमान, र समीकरणहरूको रैखिक प्रणालीहरूको लागि क्वान्टम एल्गोरिदममा क्वान्टम एल्गोरिदमहरू सुपर-पोलिनोमियल स्पीडअपहरू दिन्छन् र BQP-पूर्ण छन्। किनभने यी समस्याहरू BQP-पूर्ण छन्, तिनीहरूका लागि समान रूपमा द्रुत क्लासिकल एल्गोरिदमले कुनै पनि क्वान्टम एल्गोरिदमले सुपर-पोलिनोमियल स्पीडअप दिँदैन, जुन असम्भव मानिन्छ।

केही क्वान्टम एल्गोरिदमहरू, जस्तै ग्रोभरको एल्गोरिदम र एम्प्लिच्युड एम्प्लिफिकेशन, समान शास्त्रीय एल्गोरिदमहरूमा बहुपदीय गति दिन्छ। यद्यपि यी एल्गोरिदमहरूले तुलनात्मक रूपमा मामूली चतुर्भुज गति दिन्छ, तिनीहरू व्यापक रूपमा लागू हुन्छन् र यसरी समस्याहरूको विस्तृत दायराको लागि गति दिन्छ। क्वेरी समस्याहरूको लागि प्रमाणित क्वान्टम स्पीडअपका धेरै उदाहरणहरू ग्रोभरको एल्गोरिथ्मसँग सम्बन्धित छन्, जसमा दुई-देखि-एक प्रकार्यहरूमा टक्करहरू फेला पार्नको लागि ब्रासर्ड, होयर, र ट्यापको एल्गोरिदम, जसले ग्रोभरको एल्गोरिथ्म प्रयोग गर्दछ, र फरही, गोल्डस्टोन, र गुटम्यानको एल्गोरिथ्म प्रयोग गर्दछ। रूखहरू, जुन खोज समस्याको एक प्रकार हो।

क्रिप्टोग्राफिक अनुप्रयोगहरू

क्वान्टम कम्प्युटेशनको एक उल्लेखनीय अनुप्रयोग हाल प्रयोगमा रहेका क्रिप्टोग्राफिक प्रणालीहरूमा आक्रमणहरूको लागि हो। पूर्णांक कारककरण, जसले सार्वजनिक कुञ्जी क्रिप्टोग्राफिक प्रणालीहरूको सुरक्षालाई रेखांकित गर्दछ, ठूला पूर्णांकहरूको लागि सामान्य कम्प्युटरसँग कम्प्युटेशनली असम्भव मानिन्छ यदि तिनीहरू केही अविभाज्य संख्याहरूको उत्पादन हुन् (उदाहरणका लागि, दुई 300-अङ्कको प्राइमहरूको उत्पादनहरू)। तुलना गरेर, क्वान्टम कम्प्युटरले यसको कारकहरू फेला पार्न Shor को एल्गोरिथ्म प्रयोग गरेर यस समस्यालाई कुशलतापूर्वक समाधान गर्न सक्छ। यो क्षमताले क्वान्टम कम्प्युटरलाई आज प्रयोगमा रहेका धेरै क्रिप्टोग्राफिक प्रणालीहरू तोड्न अनुमति दिनेछ, यस अर्थमा समस्या समाधान गर्नको लागि बहुपदीय समय (पूर्णांकको अंकको संख्यामा) एल्गोरिदम हुनेछ। विशेष गरी, धेरै जसो लोकप्रिय सार्वजनिक कुञ्जी सिफरहरू फ्याक्टरिङ पूर्णांकहरूको कठिनाई वा अलग लोगारिदम समस्यामा आधारित हुन्छन्, जुन दुवैलाई शोरको एल्गोरिदमद्वारा समाधान गर्न सकिन्छ। विशेष गरी, RSA, Diffie-Hellman, र elliptic curve Diffie-Hellman एल्गोरिदमहरू तोड्न सकिन्छ। यी सुरक्षित वेब पृष्ठहरू, इन्क्रिप्टेड इमेल, र अन्य धेरै प्रकारका डाटाहरू सुरक्षित गर्न प्रयोग गरिन्छ। यी तोड्दा इलेक्ट्रोनिक गोपनीयता र सुरक्षाको लागि महत्त्वपूर्ण असर हुनेछ।

क्वान्टम एल्गोरिदमहरू विरुद्ध सुरक्षित हुन सक्ने क्रिप्टोग्राफिक प्रणालीहरू पहिचान गर्नु पोस्ट-क्वान्टम क्रिप्टोग्राफीको क्षेत्रमा सक्रिय रूपमा अनुसन्धान गरिएको विषय हो। केही सार्वजनिक-कुञ्जी एल्गोरिदमहरू पूर्णांक फ्याक्टराइजेशन र डिस्क्रिट लोगारिदम समस्याहरू बाहेक अन्य समस्याहरूमा आधारित हुन्छन् जसमा शोरको एल्गोरिदम लागू हुन्छ, जस्तै कोडिङ सिद्धान्तमा समस्यामा आधारित McEliece क्रिप्टोसिस्टम। जाली-आधारित क्रिप्टोसिस्टमहरू क्वान्टम कम्प्युटरहरूद्वारा तोडिएको पनि थाहा छैन, र डाइहेड्रल लुकेको उपसमूह समस्या समाधान गर्नको लागि बहुपदीय समय एल्गोरिदम फेला पार्नु, जसले धेरै जाली आधारित क्रिप्टोसिस्टमहरू तोड्छ, राम्रोसँग अध्ययन गरिएको खुला समस्या हो। यो प्रमाणित भएको छ कि ब्रुट फोर्स द्वारा सिमेट्रिक (गोप्य कुञ्जी) एल्गोरिथ्म तोड्न ग्रोभरको एल्गोरिदम लागू गर्नको लागि अन्तर्निहित क्रिप्टोग्राफिक एल्गोरिदमको लगभग 2n/2 आह्वानहरू बराबर समय चाहिन्छ, क्लासिकल केसमा लगभग 2n को तुलनामा, जसको मतलब सिमेट्रिक कुञ्जी लम्बाइहरू छन्। प्रभावकारी रूपमा आधा: AES-256 सँग ग्रोभरको एल्गोरिथ्म प्रयोग गरेर आक्रमणको विरुद्धमा समान सुरक्षा हुनेछ जुन AES-128 ले शास्त्रीय ब्रुट-फोर्स खोजको बिरूद्ध छ (कुञ्जी आकार हेर्नुहोस्)।

क्वान्टम क्रिप्टोग्राफीले सम्भावित रूपमा सार्वजनिक कुञ्जी क्रिप्टोग्राफीका केही कार्यहरू पूरा गर्न सक्छ। क्वान्टम-आधारित क्रिप्टोग्राफिक प्रणालीहरू, त्यसैले, क्वान्टम ह्याकिङ विरुद्ध परम्परागत प्रणालीहरू भन्दा बढी सुरक्षित हुन सक्छ।

खोज समस्याहरू

बहुपद क्वान्टम स्पीडअप स्वीकार गर्ने समस्याको सबैभन्दा प्रख्यात उदाहरण असंरचित खोज हो, डाटाबेसमा n वस्तुहरूको सूचीबाट चिन्ह लगाइएको वस्तु फेला पार्नु। यसलाई डेटाबेसमा O(sqrt(n)) क्वेरीहरू प्रयोग गरेर ग्रोभरको एल्गोरिदमद्वारा समाधान गर्न सकिन्छ, क्लासिकल एल्गोरिदमहरूको लागि आवश्यक Omega(n) क्वेरीहरू भन्दा चौथो रूपमा कम। यस अवस्थामा, फाइदा प्रमाणित मात्र होइन इष्टतम पनि छ: यो देखाइएको छ कि ग्रोभरको एल्गोरिथ्मले कुनै पनि संख्याको ओरेकल लुकअपहरूको लागि इच्छित तत्व फेला पार्ने अधिकतम सम्भाव्यता दिन्छ।

ग्रोभरको एल्गोरिथ्मसँग सम्बोधन गर्न सकिने समस्याहरूमा निम्न गुणहरू छन्:

• सम्भावित उत्तरहरूको सङ्कलनमा कुनै खोजीयोग्य संरचना छैन,
• जाँच गर्न सम्भावित जवाफहरूको संख्या एल्गोरिथ्ममा इनपुटहरूको संख्या जस्तै हो, र
• त्यहाँ एक बुलियन प्रकार्य अवस्थित छ जसले प्रत्येक इनपुटको मूल्याङ्कन गर्छ र यो सही उत्तर हो कि भनेर निर्धारण गर्दछ

यी सबै गुणहरूमा समस्याहरूका लागि, क्लासिकल एल्गोरिदमको रैखिक स्केलिंगको विपरीत, इनपुटहरूको संख्या (वा डाटाबेसमा तत्वहरू) को वर्गमूलको रूपमा क्वान्टम कम्प्युटर स्केलमा ग्रोभरको एल्गोरिदमको चलिरहेको समय। समस्याहरूको एक सामान्य वर्ग जसमा ग्रोभरको एल्गोरिदम लागू गर्न सकिन्छ बुलियन सन्तुष्टि समस्या हो, जहाँ डाटाबेस जसको माध्यमबाट एल्गोरिथ्म पुनरावृत्ति हुन्छ सबै सम्भावित उत्तरहरू हुन्। यसको एउटा उदाहरण र (सम्भव) अनुप्रयोग पासवर्ड क्र्याकर हो जसले पासवर्ड अनुमान गर्ने प्रयास गर्दछ। ट्रिपल DES र AES जस्ता सिमेट्रिक साइफरहरू यस प्रकारको आक्रमणको लागि विशेष रूपमा कमजोर हुन्छन्।

क्वान्टम प्रणाली को सिमुलेशन

रसायन विज्ञान र न्यानो टेक्नोलोजी क्वान्टम प्रणालीहरू बुझ्नमा भर परेको हुनाले, र त्यस्ता प्रणालीहरूलाई शास्त्रीय रूपमा प्रभावकारी रूपमा सिमुलेट गर्न असम्भव छ, धेरैले क्वान्टम सिमुलेशन क्वान्टम कम्प्युटिङको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण अनुप्रयोगहरू मध्ये एक हुनेछ भन्ने विश्वास गर्छन्। क्वान्टम सिमुलेशन पनि कोलाइडर भित्र प्रतिक्रियाहरू जस्तै असामान्य अवस्थाहरूमा परमाणु र कणहरूको व्यवहार अनुकरण गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। क्वान्टम सिमुलेशनहरू डबल-स्लिट प्रयोगमा सुपरपोजिसन अन्तर्गत कणहरू र प्रोटोनको भविष्यका मार्गहरू भविष्यवाणी गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। मल उद्योगले प्राकृतिक रूपमा हुने जीवहरूले पनि अमोनिया उत्पादन गर्छन्। क्वान्टम सिमुलेशनहरू यस प्रक्रियालाई उत्पादन बढाउने कुरा बुझ्न प्रयोग गर्न सकिन्छ।

क्वान्टम annealing र adiabatic अनुकूलन
क्वान्टम एनिलिङ वा Adiabatic क्वान्टम कम्प्युटेशन गणना गर्न को लागी adiabatic प्रमेय मा निर्भर गर्दछ। साधारण ह्यामिलटोनियनका लागि ग्राउण्ड स्टेटमा प्रणाली राखिएको छ, जुन बिस्तारै जटिल ह्यामिलटोनियनमा विकसित हुन्छ जसको ग्राउन्ड स्टेटले प्रश्नमा रहेको समस्याको समाधानलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ। adiabatic प्रमेयले बताउँछ कि यदि विकास पर्याप्त ढिलो छ भने प्रणाली प्रक्रिया मार्फत जहिले पनि यसको ग्राउण्ड स्टेटमा रहनेछ।

मिसिन सिक्ने

क्वान्टम कम्प्यूटरहरूले आउटपुटहरू उत्पादन गर्न सक्छन् जुन क्लासिकल कम्प्युटरहरूले प्रभावकारी रूपमा उत्पादन गर्न सक्दैनन्, र क्वान्टम गणना मौलिक रूपमा रैखिक बीजगणित हो, कोही-कोही क्वान्टम एल्गोरिदमहरू विकास गर्न आशा व्यक्त गर्छन् जसले मेसिन लर्निंग कार्यहरूलाई गति दिन सक्छ। उदाहरणका लागि, समीकरणहरूको रैखिक प्रणालीहरूको लागि क्वान्टम एल्गोरिथ्म, वा "HHL एल्गोरिथ्म", यसको खोजकर्ताहरू ह्यारो, हसिदिम र लोयडको नाममा राखिएको हो, जसले शास्त्रीय समकक्षहरूमा गति प्रदान गर्ने विश्वास गरिन्छ। केही अनुसन्धान समूहहरूले भर्खरै बोल्ट्जम्यान मेसिनहरू र गहिरो न्यूरल नेटवर्कहरू प्रशिक्षणको लागि क्वान्टम एनेलिङ हार्डवेयरको प्रयोगको अन्वेषण गरेका छन्।

कम्प्यूटेशनल जीवविज्ञान

कम्प्युटेसनल जीवविज्ञानको क्षेत्रमा, क्वान्टम कम्प्युटिङले धेरै जैविक समस्याहरू समाधान गर्न ठूलो भूमिका खेलेको छ। एउटा प्रख्यात उदाहरण कम्प्युटेसनल जीनोमिक्समा हुनेछ र कसरी कम्प्युटिङले मानव जीनोमलाई क्रमबद्ध गर्नको लागि समय घटाएको छ। कम्प्युटेशनल जीवविज्ञानले जेनेरिक डेटा मोडलिङ र भण्डारण कसरी प्रयोग गरिरहेको छ भन्ने कुरालाई ध्यानमा राख्दै, कम्प्युटेसनल जीवविज्ञानमा यसको अनुप्रयोगहरू पनि उत्पन्न हुने अपेक्षा गरिएको छ।

कम्प्युटर-सहयोगित औषधि डिजाइन र उत्पादन रसायन विज्ञान

गहिरो जेनेरेटिभ केमिस्ट्री मोडेलहरू औषधि पत्ता लगाउनको लागि शक्तिशाली उपकरणको रूपमा देखा पर्छन्। यद्यपि, सबै सम्भावित औषधि-जस्तो अणुहरूको संरचनात्मक ठाउँको विशाल आकार र जटिलताले महत्त्वपूर्ण अवरोधहरू खडा गर्छ, जुन भविष्यमा क्वान्टम कम्प्युटरहरूद्वारा हटाउन सकिन्छ। क्वान्टम कम्प्यूटरहरू जटिल क्वान्टम धेरै-शरीर समस्याहरू समाधान गर्न स्वाभाविक रूपमा राम्रो छन् र यसैले क्वान्टम रसायन विज्ञान समावेश अनुप्रयोगहरूमा साधन हुन सक्छ। तसर्थ, एकले आशा गर्न सक्छ कि क्वान्टम GAN सहित क्वान्टम-बढाइएका जेनेरेटिभ मोडेलहरू अन्ततः अन्तिम जेनेरेटिभ केमिस्ट्री एल्गोरिदममा विकसित हुन सक्छन्। क्वान्टम कम्प्यूटरलाई गहिरो क्लासिकल नेटवर्कहरूसँग संयोजन गर्ने हाइब्रिड आर्किटेक्चरहरू, जस्तै क्वान्टम भेरिएशनल अटोएनकोडरहरू, पहिले नै व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध एनेलरहरूमा प्रशिक्षित गर्न सकिन्छ र उपन्यास औषधि-जस्तो आणविक संरचनाहरू उत्पन्न गर्न प्रयोग गरिन्छ।

भौतिक क्वान्टम कम्प्युटरहरू विकास गर्दै
चुनौतीहरू
ठूलो मात्रामा क्वान्टम कम्प्युटर निर्माणमा धेरै प्राविधिक चुनौतीहरू छन्। भौतिकशास्त्री डेभिड डिभिन्सेन्जोले व्यावहारिक क्वान्टम कम्प्युटरको लागि यी आवश्यकताहरू सूचीबद्ध गरेका छन्:

• qubits को संख्या बढाउन भौतिक रूपमा स्केलेबल,
• Qubits जुन मनमानी मानहरूमा प्रारम्भ गर्न सकिन्छ,
• क्वान्टम गेटहरू जुन डिकोहेरेन्स समय भन्दा छिटो हुन्छ,
• विश्वव्यापी गेट सेट,
• Qubits जुन सजिलै पढ्न सकिन्छ।

क्वान्टम कम्प्यूटरका लागि भागहरू सोर्सिङ पनि धेरै गाह्रो छ। धेरै क्वान्टम कम्प्युटरहरू, जस्तै Google र IBM द्वारा निर्मित, हिलियम-3, एक आणविक अनुसन्धान उपउत्पादन, र जापानी कम्पनी Coax Co द्वारा बनाईएको विशेष सुपरकन्डक्टिङ केबलहरू चाहिन्छ।

बहु-क्युबिट प्रणालीहरूको नियन्त्रणलाई कडा र निर्धारणात्मक समय रिजोल्युसनको साथ ठूलो संख्यामा विद्युतीय संकेतहरूको उत्पादन र समन्वय आवश्यक छ। यसले क्वान्टम नियन्त्रकहरूको विकासको नेतृत्व गरेको छ जसले क्यूबिट्ससँग इन्टरफेसिङ सक्षम गर्दछ। क्यूबिटहरूको बढ्दो संख्यालाई समर्थन गर्न यी प्रणालीहरूलाई स्केल गर्नु एक अतिरिक्त चुनौती हो।

क्वान्टम डिकोहेरेन्स

क्वान्टम कम्प्यूटरहरू निर्माण गर्न संलग्न सबैभन्दा ठूलो चुनौतीहरू मध्ये एक क्वान्टम डिकोहेरेन्स नियन्त्रण वा हटाउनु हो। यसको अर्थ सामान्यतया प्रणालीलाई यसको वातावरणबाट अलग गर्नु हो किनभने बाह्य संसारसँगको अन्तरक्रियाले प्रणालीलाई डिकोहेर बनाउँछ। यद्यपि, अन्योलताका स्रोतहरू पनि छन्। उदाहरणहरूमा क्वान्टम गेटहरू, र क्विटहरू लागू गर्न प्रयोग गरिने भौतिक प्रणालीको जाली कम्पनहरू र पृष्ठभूमि थर्मोन्यूक्लियर स्पिन समावेश छन्। डिकोहेरेन्स अपरिवर्तनीय छ, किनकि यो प्रभावकारी रूपमा गैर-एकात्मक हुन्छ, र सामान्यतया यस्तो चीज हो जुन उच्च नियन्त्रणमा हुनुपर्छ, यदि बेवास्ता गरिएन भने। विशेष गरी उम्मेद्वार प्रणालीहरूको लागि डिकोहेरेन्स समय, ट्रान्सभर्स रिलेक्सेसन टाइम T2 (NMR र MRI टेक्नोलोजीका लागि, जसलाई डिफेसिङ टाइम पनि भनिन्छ), सामान्यतया कम तापक्रममा नानोसेकेन्ड र सेकेन्डहरू बीचको दायरा हुन्छ। हाल, केही क्वान्टम कम्प्युटरहरूलाई महत्त्वपूर्ण डिकोहेरेन्स रोक्नको लागि तिनीहरूको क्विटहरूलाई २० मिलिकेल्भिन (सामान्यतया डिल्युसन रेफ्रिजरेटर प्रयोग गरेर) चिसो गर्न आवश्यक छ। 20 को एक अध्ययनले तर्क गर्छ कि ब्रह्माण्ड किरणहरू जस्ता आयनीकरण विकिरणले जे भए पनि निश्चित प्रणालीहरू मिलिसेकेन्ड भित्र डिकोहेर गर्न सक्छ।

नतिजाको रूपमा, समय-उपभोग गर्ने कार्यहरूले केही क्वान्टम एल्गोरिदमहरू प्रयोग गर्न नसक्ने हुन सक्छ, किनकि लामो पर्याप्त अवधिको लागि क्यूबिट्सको अवस्था कायम राख्दा अन्ततः सुपरपोजिसनहरू भ्रष्ट हुनेछ।

यी मुद्दाहरू अप्टिकल दृष्टिकोणहरूको लागि अझ गाह्रो हुन्छन् किनकि टाइमस्केलहरू परिमाण छोटोका आदेशहरू हुन् र तिनीहरूलाई पार गर्नको लागि प्रायः उद्धृत दृष्टिकोण भनेको अप्टिकल पल्स आकार हो। त्रुटि दरहरू सामान्यतया अपरेटिङ टाइम र डिकोहेरेन्स समयको अनुपातमा समानुपातिक हुन्छन्, त्यसैले कुनै पनि अपरेशन डिकोहेरेन्स समय भन्दा धेरै छिटो पूरा गर्नुपर्छ।

क्वान्टम थ्रेसहोल्ड प्रमेयमा वर्णन गरिए अनुसार, यदि त्रुटि दर पर्याप्त सानो छ भने, त्रुटि र डिकोहेरेन्सलाई दबाउन क्वान्टम त्रुटि सुधार प्रयोग गर्न सम्भव मानिन्छ। यसले कुल गणना समयलाई डिकोहेरेन्स समय भन्दा लामो हुन अनुमति दिन्छ यदि त्रुटि सुधार योजनाले त्रुटिहरूलाई डिकोहेरेन्सले परिचय गराएको भन्दा छिटो सच्याउन सक्छ। गल्ती-सहिष्णु गणनाको लागि प्रत्येक गेटमा आवश्यक त्रुटि दरको लागि प्रायः उद्धृत आंकडा 10−3 हो, शोर विध्रुवीकरण भइरहेको मानिन्छ।

यो स्केलेबिलिटी अवस्था पूरा गर्न प्रणालीहरूको विस्तृत दायराको लागि सम्भव छ। यद्यपि, त्रुटि सुधारको प्रयोगले आवश्यक क्यूबिटहरूको धेरै बढेको संख्याको लागत ल्याउँछ। Shor को एल्गोरिथ्म प्रयोग गरेर पूर्णाङ्कहरू कारक गर्न आवश्यक संख्या अझै पनि बहुपद हो, र L र L2 बीचको मानिन्छ, जहाँ L कारक बनाइने संख्यामा अंकहरूको संख्या हो; त्रुटि सुधार एल्गोरिदमले यो आंकडालाई L को अतिरिक्त कारकद्वारा बढाउँछ। 1000-बिट नम्बरको लागि, यसले त्रुटि सुधार बिना लगभग 104 बिटहरूको आवश्यकतालाई संकेत गर्दछ। त्रुटि सुधार संग, आंकडा लगभग 107 बिट मा वृद्धि हुनेछ। गणना समय लगभग L2 वा लगभग 107 चरणहरू र 1 MHz मा, लगभग 10 सेकेन्ड।

स्थायित्व-डिकोहेरेन्स समस्याको लागि एकदमै फरक दृष्टिकोण भनेको कुनै पनि, थ्रेडको रूपमा प्रयोग हुने अर्ध-कणहरू र स्थिर तर्क गेटहरू बनाउनको लागि ब्रेड सिद्धान्तमा भर परेर टोपोलोजिकल क्वान्टम कम्प्युटर सिर्जना गर्नु हो।

क्वान्टम वर्चस्व

क्वान्टम सर्वोच्चता एक प्रोग्रामयोग्य क्वान्टम उपकरणले अत्याधुनिक शास्त्रीय कम्प्युटरहरूको क्षमताभन्दा बाहिरको समस्या समाधान गर्न सक्छ भनेर प्रदर्शन गर्ने ईन्जिनियरिङ् उपलब्धिलाई जन प्रेस्किलले प्रयोग गरेको शब्द हो। समस्या उपयोगी हुनु आवश्यक छैन, त्यसैले कतिपयले क्वान्टम सर्वोच्चता परीक्षणलाई सम्भावित भविष्यको बेन्चमार्कको रूपमा मात्र हेर्छन्।

अक्टोबर 2019 मा, गुगल एआई क्वान्टम, नासाको सहयोगमा, Sycamore क्वान्टम कम्प्युटरमा समिटमा गर्न सकिने भन्दा 3,000,000 गुणा बढी छिटो गणना गरेर क्वान्टम सर्वोच्चता हासिल गरेको दाबी गर्ने पहिलो बन्यो, सामान्यतया संसारको सबैभन्दा छिटो मानिन्छ। कम्प्युटर। यस दावीलाई पछि चुनौती दिइएको छ: IBM ले दावी गरेको भन्दा धेरै छिटो नमूनाहरू प्रदर्शन गर्न सक्छ भनी बताएको छ, र अनुसन्धानकर्ताहरूले क्वान्टम सर्वोच्चता दाबी गर्न प्रयोग गरिएको नमूना समस्याको लागि राम्रो एल्गोरिदमहरू विकास गरेका छन्, जसले Sycamore र बीचको खाडललाई पर्याप्त मात्रामा घटाउन वा बन्द गर्ने। शास्त्रीय सुपर कम्प्युटरहरू।

डिसेम्बर 2020 मा, USTC मा एक समूहले क्वान्टम सर्वोच्चता प्रदर्शन गर्न फोटोनिक क्वान्टम कम्प्युटर Jiuzhang मार्फत 76 फोटानहरूमा बोसोन नमूनाको एक प्रकार लागू गर्यो। लेखकहरूले दावी गर्छन् कि क्लासिकल समकालीन सुपर कम्प्युटरलाई उनीहरूको क्वान्टम प्रोसेसरले २० सेकेन्डमा उत्पन्न गर्न सक्ने नमूनाहरूको संख्या उत्पन्न गर्न 600 मिलियन वर्षको कम्प्युटेशनल समय चाहिन्छ। नोभेम्बर 20, 16 मा क्वान्टम कम्प्युटिंग शिखर सम्मेलनमा IBM ले IBM Eagle नामको 2021-qubit माइक्रोप्रोसेसर प्रस्तुत गर्‍यो।

भौतिक कार्यान्वयन

क्वान्टम कम्प्युटरलाई भौतिक रूपमा लागू गर्नका लागि, धेरै फरक उम्मेद्वारहरू पछ्याइँदै छन्, तिनीहरूमध्ये (क्युबिटहरू महसुस गर्न प्रयोग गरिने भौतिक प्रणालीद्वारा प्रतिष्ठित):

• सुपरकन्डक्टिङ क्वान्टम कम्प्युटिङ (सानो सुपरकन्डक्टिङ सर्किट, जोसेफसन जंक्शनको अवस्थाद्वारा लागू गरिएको क्विट)
• ट्र्याप्ड आयन क्वान्टम कम्प्यूटर (फसिएको आयनको आन्तरिक अवस्था द्वारा लागू गरिएको क्विट)
• अप्टिकल जालीमा तटस्थ परमाणुहरू (अप्टिकल जालीमा फसेका तटस्थ परमाणुहरूको आन्तरिक अवस्थाहरूद्वारा लागू गरिएको क्विट)
• क्वान्टम डट कम्प्युटर, स्पिन-आधारित (जस्तै Loss-DiVincenzo क्वान्टम कम्प्युटर) (फसिएको इलेक्ट्रोनहरूको स्पिन अवस्थाहरूद्वारा दिइएको क्यूबिट)
• क्वान्टम डट कम्प्युटर, स्थानिय-आधारित (डबल क्वान्टम डटमा इलेक्ट्रोन स्थिति द्वारा दिइएको क्यूबिट)
• क्वान्टम कम्प्युटिङ ईन्जिनियर गरिएको क्वान्टम कुवाहरू प्रयोग गरेर, जसले सिद्धान्तमा कोठाको तापक्रममा काम गर्ने क्वान्टम कम्प्युटरहरूको निर्माणलाई सक्षम पार्न सक्छ।
• युग्मित क्वान्टम तार (क्वान्टम बिन्दु सम्पर्क द्वारा जोडिएको क्वान्टम तारहरूको जोडी द्वारा लागू गरिएको क्यूबिट)
• आणविक चुम्बकीय अनुनाद क्वान्टम कम्प्यूटर (NMRQC) समाधानमा अणुहरूको आणविक चुम्बकीय अनुनादको साथ लागू गरिएको छ, जहाँ क्यूबिटहरू विघटित अणु भित्र आणविक स्पिनहरूद्वारा प्रदान गरिन्छ र रेडियो तरंगहरूद्वारा जाँच गरिन्छ।
• ठोस अवस्था NMR केन क्वान्टम कम्प्युटरहरू (सिलिकनमा फस्फोरस दाताहरूको आणविक स्पिन अवस्था द्वारा महसुस गरिएको क्विट)
• इलेक्ट्रोन-अन-हिलियम क्वान्टम कम्प्यूटरहरू (क्विट इलेक्ट्रोन स्पिन हो)
• गुहा क्वान्टम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (CQED) (क्युबिट फँसिएको परमाणुहरूको आन्तरिक अवस्थाद्वारा उच्च-सुक्ष्म गुहाहरूमा जोडिएको)
• आणविक चुम्बक (स्पिन अवस्थाहरू द्वारा दिइएको क्यूबिट)
• फुलरेन-आधारित ESR क्वान्टम कम्प्युटर (क्युबिट परमाणुहरूको इलेक्ट्रोनिक स्पिनमा आधारित वा फुलरेन्समा घेरिएका अणुहरू)
• ननलाइनर अप्टिकल क्वान्टम कम्प्यूटर (लीनियर र ननलाइनर एलिमेन्टहरू मार्फत प्रकाशको विभिन्न मोडहरूको प्रशोधन अवस्थाहरूद्वारा प्राप्त क्यूबिट्स)
• रैखिक अप्टिकल क्वान्टम कम्प्यूटर (रैखिक तत्वहरू जस्तै मिरर, बीम स्प्लिटरहरू र फेज शिफ्टरहरू मार्फत प्रकाशको विभिन्न मोडहरूको प्रशोधन अवस्थाहरू द्वारा महसुस गरिएको क्यूबिट्स)
• हीरामा आधारित क्वान्टम कम्प्यूटर (हिरामा नाइट्रोजन-रिक्तता केन्द्रहरूको इलेक्ट्रोनिक वा आणविक स्पिन द्वारा महसुस गरिएको क्विट)
• बोस-आइन्स्टाइन कन्डेनसेट-आधारित क्वान्टम कम्प्युटर
• ट्रान्जिस्टरमा आधारित क्वान्टम कम्प्यूटर - इलेक्ट्रोस्टेटिक ट्र्याप प्रयोग गरेर सकारात्मक प्वालहरूको प्रवेशको साथ स्ट्रिङ क्वान्टम कम्प्युटरहरू
• दुर्लभ-पृथ्वी-धातु-आयन-डोपेड अकार्बनिक क्रिस्टल आधारित क्वान्टम कम्प्युटरहरू (अप्टिकल फाइबरहरूमा डोपन्टहरूको आन्तरिक इलेक्ट्रोनिक अवस्थाद्वारा महसुस गरिएको क्विट)
• धातु-जस्तो कार्बन नानोस्फियरमा आधारित क्वान्टम कम्प्युटरहरू
• उम्मेदवारहरूको ठूलो संख्याले द्रुत प्रगतिको बावजुद, क्वान्टम कम्प्युटिङ अझै पनि यसको बाल्यावस्थामा रहेको देखाउँछ।

त्यहाँ धेरै क्वान्टम कम्प्युटिङ मोडेलहरू छन्, आधारभूत तत्वहरूद्वारा छुट्याइन्छ जसमा गणना विघटित हुन्छ। व्यावहारिक कार्यान्वयनका लागि, गणनाका चार सान्दर्भिक मोडेलहरू हुन्:

• क्वान्टम गेट एरे (कम्प्युटेशन केहि-क्विट क्वान्टम गेट्स को एक अनुक्रम मा विघटित)
• एकतर्फी क्वान्टम कम्प्यूटर (अत्यधिक अलमलिएको प्रारम्भिक अवस्था वा क्लस्टर राज्यमा लागू गरिएको एक-क्विट मापनको अनुक्रममा विघटित गणना)
• Adiabatic क्वान्टम कम्प्यूटर, क्वान्टम एनिलिङमा आधारित (गणनाले प्रारम्भिक ह्यामिलटोनियनको अन्तिम ह्यामिलटोनियनमा ढिलो निरन्तर रूपान्तरणमा विघटन हुन्छ, जसको भू अवस्थाहरूमा समाधान हुन्छ)
• टोपोलोजिकल क्वान्टम कम्प्युटर (2D जालीमा कुनै पनिको ब्रेडिङमा विघटित गणना)

क्वान्टम ट्युरिङ मेसिन सैद्धान्तिक रूपमा महत्त्वपूर्ण छ तर यस मोडेलको भौतिक कार्यान्वयन सम्भव छैन। गणना को सबै चार मोडेल बराबर देखाइएको छ; प्रत्येकले बहुपदीय ओभरहेड भन्दा बढी नभएर अर्कोलाई सिमुलेट गर्न सक्छ।