Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

НГТУ

Кафедра общей физики

Реферат на тему:

«Квантовые компьютеры»

Факультет: АВТФ Преподаватель: Штыгашев А. А.

Группа: АВТ-312

Студент: Питаева И. Л.

г. Новосибирск, 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1Теория 5

1.1 Кубиты 5

1.2Вычисление 7

1.3 Алгоритмы 8

1.4 Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках 8

1.5 Квантовая телепортация 9

2Применение 10

2.1 Специфика применения 10

2.2 Приложения к криптографии 10

3 Физические реализации квантовых компьютеров 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 12

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 13

Введение

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики. Идея о квантовых вычислениях была высказанаЮ.И.Манинымв 1980 г. Одна из первых моделей квантового компьютера была предложенаРичардом Фейнманомв 1981 году. Вскоре П. Бениоф описал теоретические основы построения такого компьютера.

Необходимость в квантовом компьютере возникает тогда, когда мы пытаемся исследовать методами физики сложные многочастичные системы, подобные биологическим. Пространство квантовых состояний таких систем растет как экспонента от числа составляющих их реальных частиц, что делает невозможным моделирование их поведения на классических компьютерах уже для. Поэтому Манин и Фейнман высказали идею построения квантового компьютера.

Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы, так называемые квантовые алгоритмы, использующиеквантовомеханическиеэффекты, такие какквантовый параллелизмиквантовая запутанность.

Если классический процессор в каждый момент может находиться ровно в одном из состояний , (обозначения Дирака) то квантовый процессор в каждый момент находится одновременно во всех этих базисных состояниях, при этом в каждом состоянии— со своейкомплексной амплитудой. Это квантовое состояние называется«квантовой суперпозицией»данных классических состояний и обозначается как

Базисные состояния могут иметь и более сложный вид. Тогда квантовую суперпозициюможно проиллюстрировать, например, так: «Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в определённый промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: „распад“ и „не распад“, <…> но в квантовой механике у атома может быть некое объединённое состояние — „распада — не распада“, то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется „суперпозицией“».

Квантовое состояние может изменяться во времени двумя принципиально различными путями:

1. Унитарная квантовая операция (квантовый вентиль, англ.quantum gate), в дальнейшем просто операция.

2. Измерение(наблюдение).

Если классические состояния есть пространственные положения группыэлектроноввквантовых точках, управляемых внешним полем, то унитарная операция есть решениеуравнения Шредингерадля этого потенциала.

Измерение есть случайная величина, принимающая значения с вероятностямисоответственно. В этом состоит квантовомеханическоеправило Борна(англ.). Измерение есть единственная возможность получения информации о квантовом состоянии, так как значения нам непосредственно не доступны. Измерение квантового состояния не может быть сведено к унитарной шрёдингеровской эволюции, так как, в отличие от последней, оно необратимо. При измерении происходит так называемый коллапс волновой функции, физическая природа которого до конца не ясна. Спонтанные вредоносные измерения состояния в ходе вычисления ведут к декогерентности, то есть отклонению от унитарной эволюции, что является главным препятствием при построении квантового компьютера (см.Физические реализации квантовых компьютеров).

Квантовое вычисление есть контролируемая классическим управляющим компьютером последовательность унитарных операций простого вида (над одним, двумя или тремя кубитами). В конце вычисления состояние квантового процессора измеряется, что и даёт искомый результат вычисления.

Содержание понятия «квантовый параллелизм» в вычислении может быть раскрыто так: «Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счёт того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно».

1. Теория