Kontrastní kvantový výpočet - Counterfactual quantum computation

Kontrastní kvantový výpočet je metoda odvození výsledku výpočtu bez skutečného spuštění a kvantový počítač jinak je schopen tento výpočet aktivně provádět.

Koncepční původ

Fyzici Graeme Mitchison a Richard Jozsa představili pojem kontrafaktových výpočtů[1] jako aplikace kvantového výpočtu, založená na koncepcích kontrafaktuální jednoznačnost, o reinterpretaci Zkoušečka bomb Elitzur – Vaidman myšlenkový experiment a teoretické využití fenoménu bezinterakční měření.

Jako příklad této myšlenky, v roce 1997, poté, co Keith Bowden (se sídlem v oddělení teoretického výzkumu fyziky na Birkbeck College, University of London) přednesl přednášku o kontrafaktuálních výpočtech od Richarda Jozsy z Isaac Newton Institute,[2] popisující digitální počítač, který lze kontraproduktivně vyslýchat a vypočítat, zda by světelný paprsek neprošel bludištěm.[3]

V poslední době byla navržena a demonstrována myšlenka kontrafaktové kvantové komunikace.[4]

Nástin metody

Kvantový počítač může být fyzicky implementován libovolnými způsoby[5] ale běžný aparát, o kterém se dosud uvažovalo, se vyznačuje a Mach – Zehnderův interferometr. Kvantový počítač je umístěn v a superpozice stavů "neběží" a "běží" prostředky, jako je Kvantový zeno efekt. Ty státní historie jsou kvantové rušení. Po mnoha opakováních velmi rychlých projektivních měření se stav „neběží“ vyvíjí do konečné hodnoty vtisknuté do vlastností kvantového počítače. Měření tato hodnota umožňuje naučit se výsledek některých typů výpočtů[6] jako Groverův algoritmus i když výsledek byl odvozen z neběžícího stavu kvantového počítače.

Definice

Původní formulace[1] Counterfactual Quantum Computation uvedl, že množina m výsledků měření je kontrafaktuální výsledek, pokud (1) je spojena pouze jedna historie m a tato historie obsahuje pouze „vypnuté“ (neběžící) stavy a (2) existuje pouze jeden možný výpočetní výstup přidružený k m.

Rafinovaná definice[7] kontrafaktuálního výpočtu vyjádřeného v postupech a podmínkách je: (i) identifikovat a označit všechny historie (kvantové cesty) s tolika štítky, kolik je potřeba, které vedou ke stejné sadě m výsledků měření a (ii) koherentně překrývá všechny možné historie. (iii) Po zrušení podmínek (jsou-li nějaké), jejichž komplexní amplitudy se společně zvyšují na nulu, množina m výsledků měření je kontrafaktovým výsledkem, pokud (iv) v jejich štítcích historie nezůstanou žádné výrazy se štítkem běžícím na počítači a (v) je k nim přidružen pouze jeden možný počítačový výstup m.

Zrcadlové pole

V roce 1997, po diskusích s Abner Shimony a Richard Jozsa Keith Bowden, inspirovaný myšlenkou bombového testeru Elitzur-Vaidman (1993), publikoval článek[2] popisující digitální počítač, který lze kontraproduktivně vyslýchat a vypočítat, zda by foton neprošel bludištěm zrcadel.[3] Toto takzvané Mirror-Array nahrazuje předběžnou bombu v zařízení Elitzur a Vaidman (ve skutečnosti a Mach – Zehnderův interferometr ). Jeden ze čtyř fotonů opustí zařízení takovým způsobem, aby naznačil, že bludiště není splavné, i když foton nikdy neprošel zrcadlovým polem. Samotné zrcadlové pole je nastaveno tak, že je definováno maticí bitů n x n. Samotný výstup (selhání nebo jinak) je definován jediným bitem. Samotné zrcadlové pole je tedy n-squared bit in, 1 bit out digitální počítač, který počítá bludiště a může být spuštěn kontraproduktivně. Přestože je celkovým zařízením jednoznačně kvantový počítač, část, která je kontraproduktivně testována, je poloklasická.

Experimentální demonstrace

V roce 2015 byla kontrafaktová kvantová analýza prokázána v experimentálním kontextu „otáčení negativně nabitého barevného centra uvolňujícího dusík v diamantu“.[8] Dříve předpokládané limity účinnosti byly překročeny, čímž bylo dosaženo srovnávací výpočetní hodnoty účinnost 85% s vyšší předpokládanou účinností v zásadě.[9]

Reference

  1. ^ A b Mitchison, Graeme; Jozsa, Richard (8. května 2001). Msgstr "Kontrafaktuální výpočet". Sborník Královské společnosti v Londýně A. 457 (2009): 1175–1193. arXiv:quant-ph / 9907007. Bibcode:2001RSPSA.457.1175M. CiteSeerX  10.1.1.251.9270. doi:10.1098 / rspa.2000.0714.
  2. ^ A b Bowden, Keith G, „Classical Computation can be Counterfactual“, Aspects I, Proc ANPA19, Cambridge 1997 (publikováno v květnu 1999), ISBN  0-9526215-3-3
  3. ^ A b Bowden, Keith (1997-03-15). „Může Schrodingerova kočka zhroutit vlnovou funkci?“. Archivovány od originál dne 2007-10-16. Citováno 2007-12-08. (Revidovaná verze „Klasického výpočtu může být hypotetická“)
  4. ^ Liu Y a kol. (2012) „Experimentální demonstrace kontrafaktuální kvantové komunikace“. Phys Rev Lett 109: 030501
  5. ^ Hosten, Onur; Rakher, Matthew T .; Barreiro, Julio T .; Peters, Nicholas A .; Kwiat, Paul G. (14. prosince 2005). "Kontrafaktuální kvantový výpočet pomocí kvantového dotazování". Příroda. 439 (7079): 949–952. Bibcode:2006 Natur.439..949H. doi:10.1038 / nature04523. PMID  16495993.
  6. ^ Mitchison, Graeme; Jozsa, Richard (1. února 2008). Msgstr "Meze hypotetického výpočtu". arXiv:quant-ph / 0606092.
  7. ^ Hosten, Onur; Rakher, Matthew T .; Barreiro, Julio T .; Peters, Nicholas A .; Kwiat, Paul (26. června 2006). "Kontrafaktuální výpočet se vrátil". arXiv:quant-ph / 0607101.
  8. ^ Kong, Fei; Ju, Chenyong; Huang, Pu; Wang, Pengfei; Kong, Xi; Shi, Fazhan; Jiang, Liang; Du, Jiangfeng (21. srpna 2015). „Experimentální realizace vysoce efektivního kontrafaktuálního výpočtu“. Dopisy o fyzické kontrole. 115 (8): 080501. Bibcode:2015PhRvL.115h0501K. doi:10.1103 / PhysRevLett.115.080501. PMID  26340170.
  9. ^ Zyga, Lisa. „Kvantový počítač, který„ počítá bez spuštění “, nastavuje rekord v efektivitě“. Phys.org. Omicron Technology Limited. Citováno 6. září 2015.