Bagaimana gerbang kuantum terwujud, dalam hal dinamika?

11

Ketika mengekspresikan komputasi dalam hal rangkaian kuantum, seseorang memanfaatkan gerbang , yaitu, (biasanya) evolusi kesatuan.

Dalam beberapa hal, ini adalah benda yang agak misterius, karena mereka melakukan operasi diskrit "ajaib" di negara bagian. Mereka pada dasarnya adalah kotak hitam, yang pekerjaan dalamnya tidak sering ditangani saat mempelajari algoritma kuantum. Namun, itu bukan cara kerja mekanika kuantum: keadaan berevolusi secara terus menerus mengikuti persamaan Schrödinger.

Dengan kata lain, ketika berbicara tentang gerbang kuantum dan operasi, orang mengabaikan dinamika (yaitu, Hamiltonian) yang menyadari evolusi tersebut, yang merupakan bagaimana gerbang sebenarnya diimplementasikan dalam arsitektur eksperimental.

Salah satu metode adalah dengan menguraikan gerbang dalam hal SD (dalam arsitektur eksperimental yang diberikan). Apakah ini satu-satunya jalan? Bagaimana dengan gerbang "dasar" seperti itu? Bagaimana dinamika implementasi yang biasanya ditemukan?

quantum-gate architecture physical-realization hamiltonian-simulation dynamics glS
sumber
2
Ketika mengekspresikan komputasi klasik dalam hal operasi logis, kita menggunakan gerbang. Dalam beberapa hal, ini pada dasarnya adalah kotak hitam, yang pekerjaan dalamnya tidak sering ditangani saat mempelajari algoritma klasik. Namun, itu bukan cara kerja alam: negara berevolusi secara terus menerus yang dijelaskan oleh persamaan diferensial. Ketika berbicara tentang algoritma klasik, kita mengabaikan dinamika yang menyatakan evolusi, yaitu bagaimana sebenarnya gerbang direalisasikan dalam sistem fisik. Tetapi dinamika menghasilkan gerbang tidak penting, asalkan gerbang sebenarnya bisa direalisasikan.
Niel de Beaudrap
2
Saya membuat poin retoris: bahwa argumen yang sama dapat diarahkan pada perhitungan klasik, tetapi kami membiarkan diri kita sendiri kemewahan abstraksi di sana karena kita tahu bahwa operasi pada prinsipnya dapat diwujudkan, dengan aplikasi manufaktur dan kontrol yang sesuai. Satu-satunya pertanyaan adalah tingkat 'prinsip' apa yang akan memuaskan Anda. Pikirkan analogi dengan kasus klasik: jika Anda tidak tahu tentang elektronik konsumen, tingkat detail seperti apa yang Anda harapkan agar puas bahwa NAND secara fisik dapat diwujudkan, bukan hanya sebagai abstraksi intelektual untuk bernalar?
Niel de Beaudrap
2
@NieldeBeaudrap jenis jawaban yang saya harapkan adalah sesuatu yang menggarisbawahi bahwa cara gerbang yang lebih kompleks (katakanlah, gerbang Toffoli) diimplementasikan adalah melalui 1) dekomposisi gerbang menggunakan set gerbang yang "sederhana" dalam arsitektur yang diberikan (yang membawa sangat tidak penting masalah kompilasi kuantum), 2) teknik kontrol kuantum, 3) menggunakan kebebasan tambahan, 4) menerapkan gerbang sebagai dinamika efektif dalam ruang Hilbert yang lebih besar, 5) kemungkinan metode lain
glS
2
Tidak, saya bertanya tentang metodologi yang digunakan hari ini untuk mengimplementasikan gerbang, yang kurang lebih seperti yang saya sebutkan di atas. Ini berbeda dengan bertanya tentang bagaimana gerbang diuraikan dalam istilah gerbang yang lebih mudah (dalam arsitektur tertentu), karena itu hanya satu cara untuk melakukan ini. Saya mengedit pertanyaan yang mencoba memperjelas hal ini. Berikut adalah contoh makalah yang menggunakan salah satu teknik tersebut untuk mengimplementasikan Toffoli: arxiv.org/abs/1501.04676 , yang mungkin mencerahkan tentang jenis jawaban yang mungkin dimiliki pertanyaan ini
glS
2
Bab 1 dan terutama lampiran D dari tesis PhD saya menjelaskan bagaimana logika abstrak berasal dari dinamika qubit superkonduktor.
DanielSank

Jawaban:

5

Secara umum, realisasi gerbang kuantum melibatkan manipulasi yang koheren dari sistem dua tingkat (tapi ini bukan hal baru bagi Anda, mungkin). Misalnya, Anda dapat menggunakan dua status elektronik berumur panjang dalam atom yang terperangkap (netral atau terionisasi dalam vakum) dan menggunakan medan listrik terapan untuk menerapkan operasi qubit tunggal (lihat ion yang terjebak atau kisi optik, misalnya).

Atau, ada solusi solid-state seperti qubit superkonduktor atau qubit cacat silikon yang ditangani oleh elektronik frekuensi radio. Anda dapat menggunakan sublevel spin nuklir beralamat gelombang mikro, atau sel kekosongan nitrogen dalam berlian. Kesamaannya adalah bahwa manipulasi dan penggabungan qubit adalah melalui bidang cahaya yang diterapkan, dan ada berbagai metode yang dapat Anda gunakan untuk menyetel level spacing dalam sistem ini untuk memungkinkan pengalamatan putaran tunggal atau memanipulasi masa hidup.

Terjemahan dari implementasi ke Hamiltonian jelas tergantung pada pilihan sistem Anda, tetapi pada akhirnya semuanya kembali ke matriks Pauli pada akhirnya. Bidang cahaya menyediakan elemen off-diagonal dalam operasi qubit tunggal Anda, sedangkan operasi dua qubit lebih rumit dan teknik sangat tergantung pada implementasi.

GroundhogState
sumber