Архитектура квантовых компьютеров

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Факультет КИБЕРНЕТИКИ Кафедра «Компьютерные системы и технологии»

РЕФЕРАТ

по курсу:

Архитектура ВС

на тему:

Архитектура квантовых компьютеров.

Студент группы К9-122 Островский А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2001
Содержание ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1: История появления теории квантовых компьютеров:

1.1  Рождение квантовой физики;

1.2  Появление теории квантовых компьютеров;

1.3  Квантовая физика и квантовая информатика;

ГЛАВА 2: Принципы и понятия, положенные в основу работы квантовых компьютеров:

2.1  Единицы квантовой информации. Кубит;

2.2  Единицы квантовой информации. Квантовый регистр;

2.3  Квантовая коррекция ошибок в квантовом компьютере;

ГЛАВА 3: Архитектура квантовых копьютеров:

3.1  Принципиальная схема квантового компьютера;

3.2  Общие требования к элементной базе квантового компьютера;

3.3  Основные направления в развитии элементной базы квантовых компьютеров:

3.3.1     Квантовые компьютере на основе ионов, захваченных ионными ловушками;

3.3.2     Квантовые компьютеры на основе молекул органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами;

3.3.3     Квантовые компьютеры на основе зарядовых состояний куперовских пар;

3.3.4     Твердотельные ЯМР квантовые компьютеры;

ГЛАВА 4: Перспективы развития квантовых компьютеров:

4.1  Нерешенные проблемы на пути построения квантовых компьютеров;

4.2  Квантовая связь и криптография;

4.3  Будущее квантовых компьютеров;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Элементная база современных информационных систем построена на лампах, транзисторах, лазерах, фотоэлементах, являющихся классическими, в том смысле, что их внешние параметры (токи, напряжение, излучение) являются классическими величинами. С этими величинами связываются информационные символы, что позволяет отображать информационные процессы на физические системы. Аналогично, информационные символы можно связать с дискретными состояниями квантовых систем, подчиняющихся уравнению Шредингера, а с их управляемой извне квантовой эволюцией связать информационный (вычислительный) процесс. Такое отображение превращает квантовую систему (частицу) в квантовый прибор. Совокупность квантовых приборов, используемых для построения квантовых информационных систем, можно назвать квантовой элементной базой.

ГЛАВА 1. История появления теории квантовых компьютеров

 

1.1  Рождение квантовой физики.

 

В канун XX века 14 декабря 1900 года немецкий физик и будущий нобелевский лауреат Макс Планк доложил на заседании Берлинского физического общества о фундаментальном открытии квантовых свойств теплового излучения. Этот день считается днем рождения квантовой теории. В физике родилось понятие кванта энергии и среди других фундаментальных постоянных поля вилась постоянная Планка h = 1,38062*10^-23Дж/К.

В 1925 году В.Гайзенберг предложил матричный вариант квантовой механики, а в 1926 году Э.Шредингер сформулировал свое знаменитое волновое уравнение для описания движения электрона во внешнем поле. В это же время Э.Ферми и П.Дирак получили квантово-статистическое распределение для электронного газа, учитывающее при заполнении отдельных квантовых состояний квантовый принцип, сформулированный тогда же В.Паули. Анализ квантовомеханической задачи о движении электрона во внешнем периодическом поле, создаваемом атомными остатками в кристаллической решетке, выполненный Ф.Блохом в 1928 году, показал, что электронный энергетический спектр в кристаллическом твердом теле имеет зонную структуру. Это привело к существенным изменениям наших представлений о Природе вообще и о твердом теле, в частности.

1.2  Появление теории квантовых компьютеров.

Кардинально новой оказалась идея о квантовых вычислениях, впервые высказанная советским математиком Ю.И.Маниным в 1980 году, и которая стала активно обсуждаться лишь после опубликования в 1982 году статьи американского физика-теоретика нобелевского лауреата Р.Фейнмана. Он обратил внимание на способность изолированной квантовой системы из L двухуровневых квантовых элементов находиться в когерентной суперпозиции из 2^L булевых состояний, характеризующейся 2^L комплексными числами и увеличенной до 2^L размерностью соответствующего гильбертова пространства. Ясно, что для описания такого квантового состояния в классическом вычислительном устройстве потребовалось бы задать 2^L комплексных чисел, то есть, понадобились бы экспоненциально большие вычислительные ресурсы. Отсюда был сделан обратный вывод о том, что эффективное численное моделирование квантовых систем, содержащих до сотни двухуровневых элементов, практически недоступно классическим компьютерам, но может эффективно осуществляться путем выполнения логических операций на квантовых системах, которые действуют на суперпозиции многих квантовых состояний.

Поскольку законы квантовой физики на микроскопическом уровне являются линейными и обратимыми, то и соответствующие квантовые логические устройства оказываются также логически и термодинамически обратимыми, а квантовые вычислительные операции представляются унитарными операторами (или матрицами 2^L ╠ 2^L) в 2^L-мерном гильбертовом пространстве. Квантовые вентили аналогичны соответствующим обратимым классическим вентилям, но в отличие от классических они способны совершать унитарные операции над суперпозициями состояний. Выполнение унитарных логических операций предполагается осуществлять с помощью соответствующих внешних воздействий, которыми управляют классические компьютеры.