Квантовый компьютер от теории к практике.

МБОУ «СОШ № 19» ИМОСК

Подготовил:
Жуков Сергей Андреевич 11 класс

Научные руководитель:
Еремина Е.Д.
учитель математики
высшей квалификационной категории.


Изобильный 2023 г

“Мы сделаем свои биты. С суперпозицией и запутанностью”. Ричард Фейнман 1981

Гипотеза:
Квантовый компьютер – машина, которая объединит в себе достижения компьютерной науки и квантовой физики.
Актуальность:
Потребности человечества в производительности компьютерных процессоров уже сейчас обгоняют развитие классической электроники. Квантовый компьютер - это вероятность сделать скачок на более высокий уровень развития всего человечества. И создание квантового компьютера, способного решать некоторые важные вычислительные задачи гораздо быстрее обычного — одно из возможных направлений развития.

Изучить основные проблемы создания квантового компьютера

Определить, какие внешние факторы влияют на работу квантового компьютера
Выяснить где может применятся квантовый компьютер
Проанализировать, какие существуют преимущества квантового компьютера перед обычным компьютеров.

Ю. И. Манин. Р. Ф. Фейнман.

Дэвид Дойч Питер Шор

Устройство квантового компьютера

1) Быстро действующая ЭВМ; 2) Квантовый процессор; 3,4) Устройство записи информации в квантовый регистр; 5) Устройство управления квантовыми операциями; 6) Устройства считывания информации с кубитов.

Квантовая суперпозиция;

Квантовая запутанность;

Квантовый параллелизм;

Кубит;

Принцип работы

Квантовый компьютер – это вычислительное устройство, которое работает за счет квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.
Алгоритм Шора.
Алгоритм Залги – Визнера.
Алгоритм Гровера.
Алгоритм Дойча – Йожи.

Классификация

Существует два типа квантовых компьютеров. Они основываются на квантовых явления, только разного порядка.
1) В основе первого типа квантовых компьютеров лежит квантование магнитного потока на нарушениях сверх проводимости.
2) Для второго типа квантовых компьютеров требуется постоянное поддержание когерентности волновых функций используемых кубитом в течение всего времени вычислений.

Проблемы и пути решения создание квантовых компьютеров

Наиболее важные проблемы:
1) Неустойчивость квантовой супер позиции.
2) Взаимодействие квантовых компьютеров с внешней средой.
3) Квантово – механическая стабильность физических систем.

Область применения квантовых компьютеров

1) Медицина.
2) Финансовые услуги.
3) Прогноз погоды.
4) Квантовая криптография.
5) Моделирования квантовых систем.

Темы квантовой физики, которые используются для создание квантового компьютера

1) Полупроводники
2) Сверхпроводники
3) Фотоны и др.

Заключение

На данный момент я работаю над созданием макета квантового компьютера, который будет показывать основной принцип работы квантовых вычислений. Он будет работать на фотонах. Эта схема моего квантового компьютера на фотонах. На этом макете я планирую проверить работу алгоритма Дойча – Йожи.
Также я проверил работу алгоритма Дойча – Йожи на настоящем 2-кубитном квантовом компьютере компании IBM. По результатам этого опыта можно сказать, что функция является сбалансированной.

Квантовый компьютер на фотонах

Алгоритм Дойча – Йожи

Алгоритм Дойча — Йожи для функции  f от n переменных. H — преобразование Адамара. U1 — фазовый запрос. Нижний кубит — вспомогательный, используемый для осуществления фазового запроса.

Результат алгоритма

Вывод

Проводя данные исследования, я пришел к выводу, что квантовый компьютер объединяет в себе достижения компьютерной науки и квантовой физики, следовательно, гипотеза подтвердилась.

Список используемой литературы.

FeynmanR. Int. J. Theor. Phys. 21, 1982.
Манин Ю.И. Вычислимое и невычислимое. - М.: Советское ра­дио, 1980.
Feynman R. Quantum mechanical computers. // Optics News, February 1985, 11, p.11.
Deutsch D. Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer. - Proc. R. Soc. London A 400, 97, 1985.
Deutsch D. Quantum computational networks. - Proc. R. Soc. London A 425, 73, 1989.
Yao А. С.-С. Quantum circuit complexity. //Proceedings of the 34th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science, IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, 1993, p. 352.
Shor P.W. Algorithms for Quantum Computation: Discrete log and Factoring. // Proceedings of the 35th Annual Symposium on the Foundations of Computer Science, edited by S. Goldwasser, IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, 1994, p.124.
Китаев A.Ю. Квантовые вычисления: алгоритмы и исправление ошибок. //Успехи математических наук.
Grover L. Afast quantum mechanical algorithm for database search. //Proceedings of the 28th Annual ACM Symposium on Theory of Computing, 1996, pp. 212-219.
KitaevA.Yu. Quantum measurements and the Abelian stabilizer problem. - LANL e-print quant-ph/9511026, http://xxx.lanl.gov.
Shor P.W. Fault-Tolerant Quantum Computation. - LANL e-print quant-ph/9005011, http://xxx.lanl.gov.
Bennett С.Н., Bernstein E., Brassard G., Vazirany U. Strengths and Weaknesses of Quantum Computing. - LANL e-print quant-ph/9701001, http://xxx.lanl.gov, to appear in SIAM J. On Computing.
https://meduza.io/cards/suschestvuyut-li-kvantovye-kompyutery-na-samom-dele
https://www.research.ibm.com/ibm-q/
https://ru.wikipedia.org