DiVincenzo'nun kriterleri - DiVincenzo's criteria

DiVincenzo kriterleri bir inşa etmek için gerekli olan koşulların kuantum bilgisayar , teorik fizikçi tarafından 2000 yılında önerilen koşullar David P. DiVincenzo ilk matematikçi tarafından önerilen böyle bir bilgisayar bir bilgisayar oluşturmak için gerekli olan olarak, Yuri Manin 1980, ve fizikçi Richard Feynman , 1982'de - kuantum çok-cisim problemini çözmede olduğu gibi, kuantum sistemlerini verimli bir şekilde simüle etmenin bir yolu olarak .

Bir kuantum bilgisayarın nasıl inşa edileceğine dair birçok öneri vardı ve bunların tümü, kuantum cihazlarını oluşturmanın farklı zorluklarına karşı farklı başarı derecelerini karşıladı. Bu önerilerden bazıları, süper iletken kübitlerin , hapsedilmiş iyonların , sıvı ve katı hal nükleer manyetik rezonansın veya optik küme durumlarının kullanılmasını içerir; bunların tümü iyi beklentiler gösterir, ancak aynı zamanda bunların pratik uygulanmasını engelleyen sorunlara sahiptir.

DiVincenzo kriterleri, Grover'ın arama algoritması veya Shor çarpanlara ayırma gibi kuantum algoritmalarını başarılı bir şekilde uygulamak için deneysel bir düzeneğin karşılaması gereken yedi koşuldan oluşur . İlk beş koşul, kuantum hesaplamanın kendisini ilgilendirir. Kuantum anahtar dağıtımında kullanılanlar gibi kuantum iletişiminin uygulanmasına ilişkin iki ek koşul vardır . Klasik bir bilgisayar tarafından DiVincenzo'nun kriterlerinin karşılandığı gösterilebilir. Klasik ve kuantum rejimlerinin kriterleri karşılama yeteneklerinin karşılaştırılması, hem kuantum sistemleriyle uğraşırken ortaya çıkan komplikasyonları hem de kuantum hızının kaynağını vurgular .

Kriterlerin beyanı

DiVincenzo'nun kriterlerine göre, bir kuantum bilgisayar inşa etmek, deney düzeneğinin yedi koşulu karşılamasını gerektirir. Kuantum hesaplama için ilk beş gereklidir:

  1. İyi karakterize edilmiş kübit ile ölçeklenebilir bir fiziksel sistem
  2. Kübitlerin durumunu basit bir referans durumuna başlatma yeteneği
  3. Uzun ilgili uyumsuzluk süreleri
  4. "Evrensel" bir kuantum kapısı kümesi
  5. Qubit'e özgü ölçüm yeteneği

Kalan ikisi kuantum iletişimi için gereklidir :

  1. Sabit ve uçan kübitleri birbirine dönüştürme yeteneği
  2. Uçan kübitleri belirtilen konumlar arasında aslına uygun olarak iletme yeteneği

Meşrulaştırma

DiVincenzo, bir kuantum bilgisayar inşa etmeye yönelik birçok girişimden sonra kriterlerini önerdi. Aşağıda bu ifadelerin neden önemli olduğu açıklanmakta ve örnekler sunulmaktadır.

İyi karakterize edilmiş kübitlerle ölçeklenebilirlik

Çoğu kuantum hesaplama modeli kübit kullanımını gerektirir. Kuantum mekanik olarak bir kübit , bir miktar enerji boşluğuna sahip 2 seviyeli bir sistem olarak tanımlanır. Bunun fiziksel olarak uygulanması bazen zor olabilir ve bu nedenle atomik seviyelerin belirli bir geçişine odaklanıyoruz. Hangi sistemi seçersek seçelim, sistemin hemen hemen her zaman bu iki seviyenin alt uzayında kalmasını istiyoruz ve bunu yaparken bunun iyi karakterize edilmiş bir kübit olduğunu söyleyebiliriz. İyi karakterize edilmeyen bir sistem örneği , uygun şekilde tek bir kübit olarak karakterize edilen, her biri bir kuyucukta veya diğerinde tek bir elektron tarafından işgal edilen potansiyel kuyucuklara sahip 2 tek elektronlu kuantum noktası olabilir. Bununla birlikte, böyle bir durum düşünüldüğünde , böyle bir sistem iki kübitlik bir duruma karşılık gelecektir.

Günümüz teknolojisiyle, iyi karakterize edilmiş bir kübite sahip bir sistem oluşturulabilir, ancak keyfi sayıda iyi karakterize edilmiş kübite sahip bir sistem oluşturmak zordur. Şu anda, karşılaşılan en büyük sorunlardan biri, daha fazla sayıda kübiti barındırmak için katlanarak daha büyük deneysel kurulumlara ihtiyaç duymamızdır. Kuantum bilgisayar, sayıların asal çarpanlara ayrılması için klasik algoritmaları hesaplamada üstel hızlanma kapasitesine sahiptir; ancak bu katlanarak büyük bir kurulum gerektiriyorsa, avantajımız kaybolur. Sıvı hal nükleer manyetik rezonans (NMR) kullanılması durumunda, artan makroskopik boyutun, hesaplama kübitlerini oldukça karışık bir durumda bırakan sistem başlatmaya yol açtığı bulundu . Buna rağmen, bu karışık durumları hesaplama için hala kullanabilen bir hesaplama modeli bulundu, ancak bu durumlar ne kadar karışıksa, bir kuantum ölçümüne karşılık gelen indüksiyon sinyali o kadar zayıftır. Bu sinyal gürültü eşiğinin altındaysa, sinyal gücünü artırmak için numunenin boyutunu artırmak bir çözüm olabilir; ve bu, kuantum hesaplama aracı olarak sıvı hal NMR'nin ölçeklenememesinin kaynağıdır. Hesaplamalı kübitlerin sayısı arttıkça, artık kullanışlı olmadıkları bir eşiğe ulaşana kadar daha az iyi karakterize edildikleri söylenebilir.

Kübitleri basit bir güvene dayalı duruma başlatma

Tüm kuantum ve klasik hesaplama modelleri, kübitler veya bitler tarafından tutulan durumlar üzerinde işlemler gerçekleştirmeye ve sistemin başlangıç ​​durumuna bağlı bir prosedür olan bir sonucu ölçmeye ve raporlamaya dayanır. Özellikle, kuantum mekaniğinin üniter doğası , kübitlerin başlatılmasını son derece önemli hale getirir. Çoğu durumda, başlatma, sistemin temel durumuna tavlanmasına izin verilerek gerçekleştirilir . Bu, kuantum hata düzeltmesini , belirli gürültü türlerine karşı sağlam olan ve büyük miktarda yeni başlatılmış kübit kaynağı gerektiren ve başlatmanın ne kadar hızlı olabileceğine ilişkin kısıtlamalar koyan kuantum işlemlerini gerçekleştirmek için bir prosedür olarak düşündüğünüzde özellikle önemlidir .

Tavlamanın bir örneği, Petta ve diğerleri tarafından, kuantum noktalarında bir Bell elektron çiftinin hazırlandığı 2005 tarihli bir makalede açıklanmıştır . Bu prosedür , sistemi tavlamak için T 1'e dayanır ve kağıt , kuantum nokta sisteminin T 2 gevşeme süresini ölçmeye odaklanır ve ilgili zaman ölçekleri (milisaniye) hakkında bir fikir verir; o zaman bu temel bir barikat olacaktır. eşevresizlik süresi başlatma süresinden daha kısadır. Başlatma süresini azaltmak ve prosedürün uygunluğunu iyileştirmek için alternatif yaklaşımlar (genellikle optik pompalamayı içerir ) geliştirilmiştir.

Uzun ilgili uyumsuzluk süreleri

Tutarsızlık, büyük, makroskopik kuantum hesaplama sistemlerinde yaşanan bir sorundur. Kuantum hesaplama modelleri ( üst üste binme veya dolanma ) tarafından kullanılan kuantum kaynakları , eşevrelilıkla hızla yok edilir. Ortalama geçit süresinden çok daha uzun olan uzun eş evreli ayrılık süreleri arzu edilir, böylece eş evrelilıkla hata düzeltme veya dinamik ayırma ile mücadele edilebilir . Nitrojen boşluk merkezlerini kullanan katı hal NMR'de , yörünge elektronu kısa eş evreli olma süreleri yaşar ve bu da hesaplamaları sorunlu hale getirir; önerilen çözüm, nitrojen atomunun nükleer spinindeki kübiti kodlamak ve böylelikle deşarj süresini arttırmak olmuştur. Böyle kuantum nokta gibi başka sistemlere de, güçlü çevresel etkileri olan hususlar sınırlamak T 2 eşevresizlik zamanı. Hızlı bir şekilde (güçlü etkileşimler yoluyla) manipüle edilebilen sistemler, bu aynı güçlü etkileşimler yoluyla uyumsuzluk deneyimleme eğilimindedir ve bu nedenle, kontrol uygulama yeteneği ile artan uyumsuzluk arasında bir denge vardır.

"Evrensel" bir kuantum kapısı kümesi

Hem klasik hem de kuantum hesaplamada, hesaplayabileceğimiz algoritmalar, uygulayabileceğimiz kapı sayısıyla sınırlıdır. Kuantum hesaplama durumunda, evrensel bir kuantum bilgisayar (bir kuantum Turing makinesi ) çok küçük bir 1 ve 2-kübit kapı seti kullanılarak inşa edilebilir. İyi karakterize edilmiş kübitlere sahip olmayı başaran herhangi bir deneysel kurulum; hızlı, güvenilir ilklendirme; ve uzun uyumsuzluk süreleri , evrensel bir kapı kümesini uygulayabilen tutarlı değişiklikleri etkilemek için sistemin Hamiltoniyenini (toplam enerji) etkileyebilmelidir . Belirli sistematik ve rastgele gürültü modellerine karşı daha sağlam olan kapı dizileri oluşturulabildiğinden, kapıların mükemmel bir şekilde uygulanması her zaman gerekli değildir. Sıvı hal NMR, hassas zamanlama ve manyetik alan darbeleri kullanarak evrensel bir kapı seti uygulayabilen ilk kurulumlardan biriydi. Ancak yukarıda belirtildiği gibi bu sistem ölçeklenebilir değildi.

Qubit'e özgü ölçüm yeteneği

Kübitlerin kuantum durumlarını değiştiren herhangi bir işlem için, bu durumların son ölçümü, hesaplamalar yapılırken çok önemlidir. Sistemimiz tahribatsız projektif ölçümlere izin veriyorsa, o zaman prensip olarak bu durum hazırlığı için kullanılabilir. Ölçüm, tüm kuantum algoritmalarının temelini oluşturur, özellikle kuantum ışınlanma gibi kavramlarda . % 100 verimli olmayan ölçüm teknikleri tipik olarak başarı oranını artırmak için tekrarlanır. Güvenilir ölçüm cihazlarının örnekleri, homodin dedektörlerin algılama kesitinden kaç tane fotonun geçtiğini güvenilir bir şekilde sayma noktasına ulaştığı optik sistemlerde bulunur . Daha zorlu olan, ve ( tekli durum ) arasındaki enerji boşluğunun 2 elektronun göreceli dönüşlerini ölçmek için kullanıldığı kuantum noktalarının ölçülmesidir.

Sabit ve uçan kübitleri birbirine dönüştürmek ve uçan kübitleri belirtilen konumlar arasında aslına uygun olarak iletmek

Tutarlı kuantum durumlarının veya dolaşık kübitlerin (örneğin, BB84 protokolü) değişimini içeren kuantum anahtar dağıtımı gibi kuantum iletişim protokolleri düşünüldüğünde ara dönüştürme ve iletme gereklidir . Deney düzenlerinde dolaşık kübit çiftleri oluştururken, bu kübitler genellikle "durağandır" ve laboratuvardan hareket ettirilemez. Bu kübitler, bir fotonun polarizasyonuna kodlanmak gibi uçan kübitler olarak gönderilebiliyorsa, dolaşık fotonları üçüncü bir tarafa göndermek ve bu bilgiyi çıkararak, iki farklı konumda iki dolaşık sabit kübit bırakarak düşünülebilir. Uçan kübiti uyumsuzluk olmadan iletme yeteneği büyük bir sorundur. Şu anda Kuantum Hesaplama Enstitüsünde bir çift dolaşık foton üretme ve fotonlardan birini uydudan yansıtarak dünyanın başka bir yerine iletme çabaları var. Şimdi ana sorun, fotonun atmosferdeki parçacıklarla etkileşime girerken yaşadığı uyumsuzluktur. Benzer şekilde, sinyalin zayıflaması bunun gerçeğe dönüşmesini engellemesine rağmen, optik fiberlerin kullanılması için bazı girişimlerde bulunulmuştur.

Ayrıca bakınız

Referanslar