DiVincenzo의 기준

DiVincenzo's criteria

DiVincenzo 기준은 이론물리학자 David P가 2000년에 제안한 조건인 양자 컴퓨터를 구성하는 데 필요한 조건입니다. 디빈센조는 [1]1980년 [2]수학자 유리 매닌과 1982년 물리학자 리처드[3] 파인먼이 양자 다체 문제를 푸는 것과 같이 양자계를 효율적으로 시뮬레이션하기 위한 수단으로 처음 제안한 컴퓨터입니다.

양자 컴퓨터를 구성하는 방법에 대한 많은 제안이 있었습니다. 이 모든 것은 양자 장치를 구성하는 다양한 도전에 맞서 다양한 정도의 성공을 거두었습니다. 이러한 제안 중 일부는 초전도 큐비트, 포획 이온, 액체 및 고체 상태 핵자기 공명 또는 광학 클러스터 상태를 사용하는 것을 포함하며, 이들 모두는 좋은 전망을 보여주지만 실제 구현을 방해하는 문제도 있습니다.

DiVincenzo 기준은 Grover의 검색 알고리즘이나 Shor 인수분해와 같은 양자 알고리듬을 성공적으로 구현하기 위해 실험 설정이 충족해야 하는 7가지 조건으로 구성됩니다. 처음 다섯 가지 조건은 양자 계산 자체에 관한 것입니다. 양자 키 분배에 사용되는 것과 같은 양자 통신 구현에 관한 두 가지 추가 조건. 고전 컴퓨터는 DiVincenzo의 기준을 충족한다는 것을 증명할 수 있습니다. 기준을 충족하는 고전 체제와 양자 체제의 능력을 비교하면 양자 시스템을 다루는 과정에서 발생하는 복잡성과 양자 속도의 근원이 모두 강조됩니다.

기준명세서

DiVincenzo의 기준에 따르면 양자 컴퓨터를 구축하려면 실험 설정이 7가지 조건을 충족해야 합니다. 처음 5개는 양자 계산에 필요합니다.

  1. 큐비트의 특성이 잘 맞는 확장 가능한 물리적 시스템
  2. 큐비트의 상태를 단순한 기준 상태로 초기화하는 기능
  3. 긴 관련 디코히어런스 시간
  4. 양자 게이트들의 "보편적" 집합
  5. 큐비트별 측정 기능

나머지 두 개는 양자 통신에 필요합니다.

  1. 정지 큐비트와 비행 큐비트를 상호 변환하는 기능
  2. 지정된 위치 간에 비행 큐비트를 충실하게 전송할 수 있는 기능

정당화

DiVincenzo는 양자 컴퓨터를 구성하기 위한 많은 시도 끝에 그의 기준을 제안했습니다. 아래에서는 이러한 문장이 중요한 이유를 설명하고 예제를 제시합니다.

잘 특성화된 큐비트를 통한 확장성

양자 계산의 대부분의 모델은 큐비트를 사용해야 합니다. 양자역학적으로 큐비트는 에너지 갭이 어느 정도 있는 2레벨 시스템으로 정의됩니다. 이것은 때때로 물리적으로 구현하기 어려울 수 있기 때문에 우리는 원자 수준의 특정한 전환에 초점을 맞추고 있습니다. 우리가 어떤 시스템을 선택하든, 우리는 시스템이 이 두 수준의 하위 공간에 거의 항상 남아 있어야 하며, 그렇게 함으로써 우리는 그것이 잘 특징지어진 큐빗이라고 말할 수 있습니다. 잘 특성화되지 않은 시스템의 예로는 두 개의 1전자 양자점이 있으며, 전위 우물은 각각 하나의 우물 또는 다른 우물에서 하나의 전자에 의해 점유되며, 이는 단일 큐비트로 적절하게 특성화됩니다. 그러나 ⟩+ ⟩ {\rangle 11\rangle}와 같은 상태를 고려할 때 이러한 시스템은 2큐비트 상태에 해당합니다.

오늘날의 기술로는 큐비트를 잘 특성화한 시스템을 만들 수 있지만, 임의의 수의 잘 특성화된 큐비트를 가진 시스템을 만드는 것은 어려운 일입니다. 현재 직면한 가장 큰 문제 중 하나는 더 많은 큐비트를 수용하기 위해 기하급수적으로 더 큰 실험 설정이 필요하다는 것입니다. 양자 컴퓨터는 숫자의 소인수분해를 위한 고전적인 알고리즘을 계산하는 데 기하급수적인 속도 향상이 가능하지만, 이것이 기하급수적으로 큰 설정을 필요로 한다면 우리의 이점은 상실됩니다. 액체 상태 핵자기공명(NMR)을 사용하는 경우, 거시적 크기가 증가하면 계산 큐비트가 고도로 혼합된 상태로 남는 시스템 초기화로 이어지는 것으로 나타났습니다.[4] 그럼에도 불구하고 여전히 이러한 혼합 상태를 계산에 사용할 수 있는 계산 모델이 발견되었지만, 이러한 상태가 혼합될수록 양자 측정에 해당하는 유도 신호는 약합니다. 이 신호가 노이즈 임계값 이하인 경우, 해결책은 신호 강도를 높이기 위해 샘플의 크기를 증가시키는 것입니다. 그리고 이것이 양자 계산을 위한 수단으로서 액체 상태 NMR의 비확장성의 원인입니다. 계산 큐비트 수가 증가함에 따라 더 이상 유용하지 않은 임계값에 도달할 때까지 덜 특성화된다고 말할 수 있습니다.

큐비트를 단순 기준 상태로 초기화

양자 및 고전 계산의 모든 모델은 큐비트 또는 비트로 유지되는 상태에 대한 연산을 수행하고 시스템의 초기 상태에 의존하는 절차인 결과를 측정하고 보고하는 것을 기반으로 합니다. 특히, 양자역학의 단일성 특성은 큐비트의 초기화를 매우 중요하게 만듭니다. 대부분의 경우 시스템을 접지 상태로 가열 해제하여 초기화를 수행합니다. 이는 특정 유형의 노이즈에 강하고 새로 초기화된 큐비트를 대량으로 공급해야 하는 양자 프로세스를 수행하는 절차인 양자 오류 수정을 고려할 때 특히 중요합니다. 이 절차는 초기화 속도에 제한을 둡니다.

2005년 Petta 등의 논문에서 어닐링의 예를 설명하고 있는데, 여기서 전자의 벨 쌍이 양자점으로 준비되어 있습니다. 이 절차는 시스템을 어닐링하기 위해 T에1 의존하며, 이 논문은 양자점 시스템의 T2 이완 시간을 측정하는 데 초점을 맞추고 관련된 시간 척도(밀리초)에 대한 아이디어를 제공합니다. 그러면 디코히어런스 시간이 초기화 시간보다 짧기 때문에 기본적인 장애물이 됩니다.[5] 초기화 시간을 줄이고 절차의 충실도를 향상시키기 위해 대체 접근법(일반적으로 광학 펌핑과[6] 관련된)이 개발되었습니다.

긴 관련 디코히어런스 시간

디코히어런스는 크고 거시적인 양자 계산 시스템에서 경험되는 문제입니다. 양자 컴퓨팅 모델(중첩 또는 얽힘)이 사용하는 양자 자원은 비간섭성에 의해 빠르게 파괴됩니다. 평균 게이트 시간보다 훨씬 긴 긴 디코히어런스 시간이 필요하므로, 디코히어런스가 오류 수정 또는 동적 디커플링과 결합될 수 있습니다. 질소-공백 센터를 사용하는 고체 상태 NMR에서 궤도 전자는 짧은 비간섭성 시간을 경험하여 계산에 문제가 있습니다. 제안된 해결책은 질소 원자의 핵 스핀에 큐비트를 인코딩하여 비간섭성 시간을 늘리는 것이었습니다. 양자점과 같은 다른 시스템에서는 환경 효과가 강한 문제가 T2 디코히어런스 시간을 제한합니다. (강력한 상호 작용을 통해) 신속하게 조작할 수 있는 시스템은 이러한 강력한 상호 작용을 통해 비일관성을 경험하는 경향이 있으므로 제어 구현 능력과 비일관성 증가 사이에는 상충 관계가 있습니다.

양자 게이트들의 "보편적" 집합

고전 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅 모두에서 우리가 계산할 수 있는 알고리즘은 구현할 수 있는 게이트의 수에 따라 제한됩니다. 양자 컴퓨팅의 경우, 1큐비트와 2큐비트 게이트의 아주 작은 집합을 사용하여 범용 양자 컴퓨터(양자 튜링 기계)를 구축할 수 있습니다. 보편적인 게이트 세트를 구현할 수 있는 일관성 있는 변경을 효과적으로 수행하기 위해 큐비트를 잘 특성화하고 빠르고 충실한 초기화 및 긴 디코히어런스 시간을 유지하는 모든 실험 설정도 시스템의 해밀턴(총 에너지)에 영향을 미칠 수 있어야 합니다. 특정한 체계적이고 무작위적인 잡음 모델에 대해 더 강력한 게이트 시퀀스를 생성할 수 있기 때문에 게이트의 완벽한 구현이 항상 필요한 것은 아닙니다.[7] 액체 상태 NMR은 정확한 타이밍과 자기장 펄스를 사용하여 범용 게이트 세트를 구현할 수 있는 최초의 설정 중 하나였습니다. 그러나 위에서 언급한 바와 같이 이 시스템은 확장성이 없었습니다.

큐비트별 측정 기능

큐비트의 양자 상태를 수정하는 모든 프로세스의 경우 계산을 수행할 때 이러한 상태를 최종적으로 측정하는 것이 기본적으로 중요합니다. 우리의 시스템이 비파괴 투영 측정을 허용한다면, 원칙적으로 이것은 상태 준비에 사용될 수 있습니다. 측정은 특히 양자 순간이동과 같은 개념에서 모든 양자 알고리즘의 기초입니다. 일반적으로 100% 효율적이지 않은 측정 기법은 성공률을 높이기 위해 반복됩니다. 신뢰성 있는 측정 장치의 예는 호모다인 검출기가 검출 단면을 통과한 광자의 수를 신뢰성 있게 계산하는 지점에 도달한 광학 시스템에서 발견됩니다. 더 어려운 것은 의 측정인데, 여기서 ⟩ + ⟩ rangle + 10\rangle }와 01 ⟩ - 10 ⟩ {\display 01\rangle - 10\rangle }(단일 상태) 사이의 에너지 간격을 사용하여 두 전자의 상대 스핀을 측정합니다.

고정 큐비트와 플라잉 큐비트를 상호 변환하고 지정된 위치 간 플라잉 큐비트를 충실하게 전송합니다.

일관된 양자 상태 또는 얽힌 큐비트의 교환(예: BB84 프로토콜)을 포함하는 양자 키 분배와 같은 양자 통신 프로토콜을 고려할 때 상호 변환 및 전송이 필요합니다. 실험 설정에서 얽힌 큐비트 쌍을 만들 때, 이러한 큐비트는 일반적으로 "정지 상태"이므로 실험실에서 이동할 수 없습니다. 이러한 큐비트가 광자의 편광으로 인코딩되는 것과 같이 비행 큐비트로 전송될 수 있다면 얽힌 광자를 제3자에게 전송하고 그 정보를 추출하도록 하여 두 개의 얽힌 고정 큐비트를 두 개의 다른 위치에 두는 것을 고려할 수 있습니다. 비행 큐비트를 비간섭성 없이 전송할 수 있는 능력이 주요 문제입니다. 현재 양자전산연구소에서는 얽힌 광자 한 쌍을 만들어내고 그 광자 한 개를 인공위성에서 반사시켜 지구의 다른 곳으로 전송하려는 노력이 진행되고 있습니다. 현재 가장 큰 문제는 광자가 대기 중의 입자와 상호작용하는 동안 경험하는 비간섭성입니다. 마찬가지로, 비록 신호의 감쇠가 이것이 현실이 되는 것을 막았지만, 광섬유를 사용하려는 일부 시도가 있었습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ DiVincenzo, David P. (2000-04-13). "The Physical Implementation of Quantum Computation". Fortschritte der Physik. 48 (9–11): 771–783. arXiv:quant-ph/0002077. Bibcode:2000ForPh..48..771D. doi:10.1002/1521-3978(200009)48:9/11<771::AID-PROP771>3.0.CO;2-E.
  2. ^ Manin, Yu. I. (1980). Vychislimoe i nevychislimoe [Computable and Noncomputable] (in Russian). Sov.Radio. pp. 13–15. Archived from the original on 2013-05-10. Retrieved 2013-03-04.
  3. ^ Feynman, R. P. (June 1982). "Simulating physics with computers". International Journal of Theoretical Physics. 21 (6): 467–488. Bibcode:1982IJTP...21..467F. CiteSeerX 10.1.1.45.9310. doi:10.1007/BF02650179.
  4. ^ Menicucci NC, Caves CM (2002). "Local realistic model for the dynamics of bulk-ensemble NMR information processing". Physical Review Letters. 88 (16): 167901. arXiv:quant-ph/0111152. Bibcode:2002PhRvL..88p7901M. doi:10.1103/PhysRevLett.88.167901. PMID 11955265.
  5. ^ a b Petta, J. R.; Johnson, A. C.; Taylor, J. M.; Laird, E. A.; Yacoby, A.; Lukin, M. D.; Marcus, C. M.; Hanson, M. P.; Gossard, A. C. (September 2005). "Coherent Manipulation of Coupled Electron Spins in Semiconductor Quantum Dots". Science. 309 (5744): 2180–2184. Bibcode:2005Sci...309.2180P. CiteSeerX 10.1.1.475.4833. doi:10.1126/science.1116955. PMID 16141370.
  6. ^ Atatüre, Mete; Dreiser, Jan; Badolato, Antonio; Högele, Alexander; Karrai, Khaled; Imamoglu, Atac (April 2006). "Quantum-Dot Spin-State Preparation with Near-Unity Fidelity". Science. 312 (5773): 551–553. Bibcode:2006Sci...312..551A. doi:10.1126/science.1126074. PMID 16601152.
  7. ^ Green, Todd J.; Sastrawan, Jarrah; Uys, Hermann; Biercuk, Michael J. (September 2013). "Arbitrary quantum control of qubits in the presence of universal noise". New Journal of Physics. 15 (9): 095004. arXiv:1211.1163. Bibcode:2013NJPh...15i5004G. doi:10.1088/1367-2630/15/9/095004.