În lumea calculului clasic, o mașină Turing este de obicei reprezentată ca o mașină abstractă capabilă să implementeze orice algoritm clasic de calculator prin stări, bandă și un cap de citire/scriere. Calculatoarele inițiale, datând din anii 1950, erau mainframe-uri uriașe care implementau o astfel de arhitectură Turing.
Dar cum rămâne cu algoritmii cuantici? Ce este necesar pentru a-i implementa? Există o înțelegere comună că mainframe-urile de ieri sunt pentru computerele clasice ceea ce este stiva de control cuantic de astăzi pentru computerele cuantice. Există o înțelegere comună că saltul de la mainframe la computere cuantice compacte, scalabile și eficiente va avea loc în următorii 5 până la 10 ani.
Această notă își propune să ofere un ghid ușor și concis pentru înțelegerea cerințelor pentru executarea unui algoritm cuantic. Se bazează pe algoritmul „pseudo”, care a fost descris în nota anterioară despre videoclipul algoritmului Grover de la 3 blue 1 brow.
Cerințe pentru executarea algoritmului cuantic
Link to heading
Există câteva lucruri care merită menționate în diagrama de mai sus:
- Sincronism: Faptul că „porțile cu un singur qubit” (reprezentate ca dreptunghiuri) pe diverși qubiți par să fie executate în același timp este incorect. Nu există o astfel de cerință de a executa două porți în același timp, cu excepția cazului în care porțile sunt multi-qubit. Prin urmare, cuvântul „etape de control” este sugestiv și ar trebui descris mai bine ca „secvențe de porți de control”.
Inițializare Qubiții sunt inițial „resetați” în starea |0>. Există un pic de „magie” aici în cuvântul „resetare”, care ar fi mai bine descris ca o poartă. Dar, deoarece o astfel de poartă nu există, o posibilă implementare este de a avea o poartă condiționată bazată pe citirea anterioară a aceluiași qubit.
durata de viață a unui qubit Qubiții sunt cunoscuți pentru faptul că nu sunt stabili în timp - așa-numita decoerență, care necesită ca „algoritmul cuantic” să fie executat mai repede decât timpul de decoerență al qubitului. Acest timp depinde de „modalitatea qubitului” - despre care voi vorbi într-un alt articol săptămâna viitoare. Pentru noi, să presupunem că există un timp t care reprezintă „durata maximă a algoritmului cuantic”.
Durata porții În funcție de natura qubitului, care este format din unul sau mai mulți qubiti și de modalitatea qubitului, durata porții poate fi extrem de scurtă. Pentru qubitul supraconductor/de spin, denumit și „modalități rapide”, durata este de aproximativ sute de nanosecunde, iar câteva laboratoare de cercetare încearcă să împingă limita la ~20 de nanosecunde. Consultați specificația spin-2.
Măsurare la mijlocul circuitului La prima vedere, există o contradicție în cazul porților multi-qubit, cum ar fi CNOT: faptul că execuția unei porți depinde de starea unei alte porți fără a încălca principiul observabilității și a prăbuși („reduce”) starea de superpoziție a qubitului. Acest subiect în sine ar face obiectul unui memoriu, așa că să presupunem că „există o metodă care funcționează”. Cu toate acestea, în unele cazuri, este acceptabil să se „reducă” starea la o valoare booleană clasică și să se utilizeze valoarea citită ca intrare pentru poartă. Aceasta se numește măsurare la mijlocul circuitului și este de obicei indicată printr-o săgeată cu două linii.
Corecția erorilor cuantice Corecția erorilor cuantice, sau QEC, lipsește în mod evident din algoritmul de mai sus. În acest moment, nu sunt sigur dacă aceasta este o meta-decorativă a algoritmului care funcționează la nivel fizic de qubit sau o proprietate intrinsecă a mașinii cuantice care funcționează pe qubiți logici, sau ambele. Va trebui să-mi clarific gândurile cu o notă pe această temă.
Această notă nu ar fi completă fără a introduce cele două temporizări esențiale, T1 și T2:
- T1, cunoscut și sub numele de timpul de relaxare, este timpul necesar unui qubit pentru a pierde energie și a trece de la starea excitată la starea fundamentală; cu alte cuvinte, „timpul de la |1⟩ la |0⟩”.
T2, cunoscut și sub denumirea de timpul de defazare, este timpul în care informațiile despre fază ale qubitului sunt păstrate; cu alte cuvinte, timpul în care faza de superpoziție, sau starea „magică”, este validă.
Având în vedere că T1 reprezintă pierderea de energie a qubitului, T2 poate fi întotdeauna mai scurt sau egal cu T1. Dar ce se întâmplă în intervalul de timp T2-T1? Qubitul păstrează în continuare energie, dar nu suficientă pentru a menține starea de superpoziție cuantică.
Mă întreb la ce folosește T1, deoarece dincolo de T2, qubitul nu „produce o stare cuantică validă”. Poate că acest lucru ar putea fi legat de QEC, asigurând că QEC are loc într-o perioadă T2 și cu o durată maximă corectată pentru erorile qubitului de T1. Va trebui să mă consult cu specialiștii și să actualizez memorandumul.
Această notă nu ar fi completă nici cu o referire la două experimente legate de T1 și T2.
Rabi și T1: T1 utilizează oscilații Rabi pentru a măsura timpul de relaxare: secvența Rabi acționează asupra spinului dintr-o stare inițială, iar descreșterea ulterioară a oscilațiilor Rabi datorată relaxării longitudinale (T1) este apoi măsurată pentru a determina cât de repede revine spinul la echilibrul termic.
- Ramsey și T2: T2 este cel mai adesea caracterizat prin Interferometria Ramsey.
T1 și Rabi nu sunt același lucru - Literatura se referă adesea la frecvența Rabi necesară pentru a excita qubitul la |1>.
În imaginea din dreapta, de la Quantum Machines, măsurătorile Rabi și Rasmey sunt intercalate cu o variație a frecvenței de dezacord a qubitului, pentru a obține un model „în formă de chevron”.
Rețineți că frecvența Rabi Ω este rata la care un sistem cu două niveluri este acționat de o unitate rezonantă, adică cât de puternic cuplează unitatea cele două stări. În timp ce frecvența de dezacord Δ este diferența dintre frecvența de acționare și frecvența de rezonanță naturală a sistemului. Când unitatea este exact în rezonanță, Δ=0. În acest caz, sistemul oscilează pur și simplu la frecvența Rabi convențională (sau „nudă”) Ω.
Există numeroase cercetări legate de îmbunătățirea reglării frecvenței, cum ar fi utilizarea Rețelelor Neuronale, așa cum s-a explicat într-una dintre postările anterioare de pe blog.
E oarecum amuzant - acum înțeleg de ce cel mai mare jucător de pe piață se numește „Mașină Cuantică”, iar aceasta este de fapt o mișcare inteligentă din partea lor. S-ar fi putut crede că s-ar numi „Mașină Turing pentru Algoritmi Cuantici” sau chiar „Mașină Abstractă Cuantică” (1) a acestui algoritm. Unii o numesc „Stivă de Control Cuantic”, dar eu prefer ideea de a mă referi la ea ca la o mașină, deoarece se leagă mult mai strâns de scopul final: executarea algoritmilor cuantici.
Voilà, această notă de duminică dimineață nu a intrat în niciun fel de detalii, dar a pus bazele pentru ceea ce va trebui acum să descriem ca o mașină de calcul cuantic.
(1) QM a lansat într-adevăr o Mașină Abstractă Cuantică, numită QUAM, care permite gândirea în termeni de qubiți și operații cuantice, mai degrabă decât doar de canale și forme de undă, aliniindu-se mai îndeaproape cu procesele de gândire ale fizicienilor.