古典計算機の世界では、チューリングマシンは通常、状態、テープ、読み書きヘッドを通してあらゆる古典計算機アルゴリズムを実行できる抽象的な機械として表現される。1950年代に登場した初期のコンピュータは、このようなチューリングアーキテクチャを実装した巨大なメインフレームだった。
では、量子アルゴリズムはどうでしょうか？それらを実装するには何が必要なのでしょうか？かつてのメインフレームが古典コンピュータにとってそうであったように、今日の量子制御スタックは量子コンピュータにとってそうである、という共通認識があります。メインフレームから、コンパクトで拡張性が高く効率的な量子コンピュータへの飛躍は、今後5年から10年以内に起こるだろう、という共通認識があります。
このメモは、量子アルゴリズムを実行するための要件を理解するための、簡潔で分かりやすいガイドを提供することを目的としています。これは、前回のメモで説明された、3 blue 1 brow のグローバーアルゴリズムのビデオに関する「擬似」アルゴリズムに基づいています。
量子アルゴリズムを実行するための要件
上記の図には、注目すべき点がいくつかあります。
- 同期性: さまざまな量子ビット上の「単一量子ビットゲート」（長方形で表される）が同時に実行されるように見えるのは誤りです。ゲートがマルチ量子ビットの場合を除き、2つのゲートを同時に実行する必要はありません。したがって、「制御ステージ」という言葉は誤解を招くものであり、「制御ゲートシーケンス」と表現する方が適切です。
初期化 キュービットは最初に |0> の状態に「リセット」されます。ここで「リセット」という言葉には少し「魔法」のようなものがあり、ゲートと表現する方が適切でしょう。しかし、そのようなゲートは存在しないため、考えられる実装の 1 つは、同じキュービットの以前の読み出しに基づく条件付きゲートを使用することです。
キュービットの寿命 キュービットは、時間の経過とともに安定しないことで知られています。これはデコヒーレンスと呼ばれ、「量子アルゴリズム」をキュービットのデコヒーレンス時間よりも速く実行する必要があります。この時間は、「キュービットのモダリティ」に依存します。これについては、来週の別のメモで説明します。ここでは、「量子アルゴリズムの最大実行時間」を表す時間 t があると仮定しましょう。
ゲート期間 単一量子ビットか複数量子ビットか、また量子ビットのモードによって、ゲート期間は非常に短くなることがあります。超伝導/スピン量子ビット（「高速モード」とも呼ばれる）の場合、期間は数百ナノ秒程度で、いくつかの研究室では、限界を約20ナノ秒まで押し上げようとしています。spin-2の仕様を確認してください。
回路中間測定 一見すると、CNOT などのマルチキュービットゲートには矛盾があります。それは、観測可能性原理を破ることなく、またキュービットの重ね合わせ状態を縮約（「縮小」）することなく、ゲートの実行が別のゲートの状態に依存するという事実です。このトピック自体がメモの主題となるため、「機能するメソッドが存在する」と仮定しましょう。ただし、場合によっては、状態を古典的なブール値に「縮小」し、読み出し値をゲートへの入力として使用することが許容されます。これは回路中間測定と呼ばれ、通常は 2 本の線が付いた矢印で表されます。
量子誤り訂正 量子誤り訂正（QEC）は、上記のアルゴリズムには明らかに含まれていません。現時点では、これが物理キュービットレベルで動作するアルゴリズムのメタ装飾なのか、論理キュービットで動作する量子マシンの固有の特性なのか、あるいはその両方なのかは不明です。この件については、メモで私の考えを明確にする必要があります。
標準化されたタイミング: T1 と T2
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このメモは、2つの重要なタイミング、T1とT2を紹介せずには完成しません。
T1が量子ビットのエネルギー損失を表すとすれば、T2は常にT1以下でなければなりません。では、T2からT1までの間に何が起こるのでしょうか？量子ビットはエネルギーを保持していますが、量子重ね合わせ状態を維持するには十分ではありません。
T1の用途は何なのか疑問に思います。T2を超えると、量子ビットは「有効な」量子状態を生成しなくなるからです。これは量子誤り訂正（QEC）に関連しているのかもしれません。QECがT2期間内に発生し、量子ビットの誤り訂正期間の最大値がT1になるようにするためでしょう。専門家と相談して、メモを更新する必要があります。
このメモは、T1とT2に関連する2つの実験に言及しなければ不完全なものとなるだろう。
T1とラビは同じではありません - 文献では、量子ビットを|1>に励起するために必要なラビ周波数を指すことがよくあります。
右側の画像は、Quantum Machinesからのもので、ラビ測定とラスミー測定が量子ビットのデチューニング周波数の変化と交互に行われ、「シェブロン型」のパターンが生成されます。
ラビ周波数Ωは、共振駆動によって2準位系が駆動される速度、つまり駆動が2つの状態をどれだけ強く結合させるかを示す値であることに注意してください。一方、デチューニング周波数Δは、駆動周波数とシステムの固有共振周波数との差です。駆動が正確に共振している場合、Δ=0となります。この場合、システムは従来の（または「裸の」）ラビ周波数Ωでのみ振動します。
周波数チューニングの改善に関連する研究は数多くあり、以前のブログ記事で説明したように、ニューラルネットワークを使用する方法などがあります。
＃＃ 結論
ちょっと面白い話ですが、市場最大の企業が「クォンタム・マシン」と呼ばれている理由がようやく分かりました。これは実に賢明な戦略です。彼らは「量子アルゴリズム用チューリングマシン」とか、このアルゴリズムの「量子抽象マシン」 (1)と名乗るだろうと予想していた人もいるかもしれません。中には「量子制御スタック」と呼ぶ人もいますが、私はマシンと呼ぶ方が好みです。なぜなら、それが量子アルゴリズムを実行するという究極の目標にずっと近いからです。
ほら、この日曜日の朝のメモには詳細な説明は一切なかったが、これから量子コンピューティングマシンと呼ぶことになるものの基礎を築いたものだったのだ。
（１）QMは実際にQUAMと呼ばれる量子抽象マシンをリリースしました。これはチャネルや波形だけでなく、量子ビットや量子操作の観点から考えることができ、物理学者の思考プロセスにより近いものとなっています。