EITC/QI/QIF квант мэдээллийн үндэс

Квантын мэдээллийн түүх нь 20-р зууны эхэн үеэс сонгодог физикийг квант физик болгон хувиргаснаар эхэлсэн. Сонгодог физикийн онолууд нь хэт ягаан туяаны сүйрэл, эсвэл электронууд цөмд эргэлддэг гэх мэт утгагүй зүйлсийг урьдчилан таамаглаж байв. Эхлээд эдгээр асуудлуудыг сонгодог физикт түр зуурын таамаглалыг нэмж оруулснаар хойш тавьсан. Удалгүй эдгээр утгагүй зүйлсийг ойлгохын тулд шинэ онолыг бий болгох ёстой гэдэг нь тодорхой болж, квант механикийн онол гарч ирэв.

Квант механикийг Шредингер долгионы механик, Хайзенберг матрицын механик ашиглан томъёолжээ. Эдгээр аргуудын ижил төстэй байдал хожим батлагдсан. Тэдний томъёолол нь микроскопийн системийн динамикийг тодорхойлсон боловч хэмжилтийн үйл явцыг тайлбарлахад хэд хэдэн хангалтгүй талуудтай байв. Фон Нейман хэмжилт болон динамикийг дүрсэлсэн байдлаар оператор алгебрийг ашиглан квант онолыг томьёолжээ. Эдгээр судалгаанууд нь хэмжилтээр мэдээлэл олж авах тоон аргаас илүү хэмжилтийн философийн талыг онцолсон.

1960-аад онд Стратонович, Хельстром, Гордон нар квант механик ашиглан оптик холболтын томъёололыг санал болгов. Энэ бол квант мэдээллийн онолын түүхэн дэх анхны илрэл байв. Тэд голчлон алдааны магадлал болон харилцааны сувгийн чадавхийг судалсан. Дараа нь Холево нь квант сувгаар сонгодог мессежийг дамжуулахдаа харилцааны хурдны дээд хязгаарыг олж авсан.

1970-аад онд атомын хавх, сканнерын хонгилын микроскоп зэрэг нэг атомын квант төлөвийг удирдах арга техникүүд хөгжиж эхэлсэн нь нэг атомыг тусгаарлаж, массив хэлбэрээр байрлуулах боломжтой болгосон. Эдгээр бүтээн байгуулалтаас өмнө нэг квант системийг нарийн хянах боломжгүй байсан бөгөөд туршилтууд нь олон тооны квант системийг нэгэн зэрэг хянахад бүдүүлэг ашигласан. Нэг төлөвт ажиллах чадвартай техникийг хөгжүүлэх нь квант мэдээлэл, тооцооллын салбарт сонирхолыг нэмэгдүүлэхэд хүргэсэн.

1980-аад онд Эйнштейний харьцангуйн онолыг няцаахын тулд квант эффектийг ашиглах боломжтой юу гэсэн сонирхол үүссэн. Хэрэв үл мэдэгдэх квант төлөвийг хувилах боломжтой байсан бол орооцолдсон квант төлөвийг ашиглан гэрлийн хурдаас илүү хурдан мэдээллийг дамжуулах боломжтой байсан нь Эйнштейний онолыг үгүйсгэсэн хэрэг болно. Гэсэн хэдий ч клончлохгүй теорем нь ийм клон хийх боломжгүй гэдгийг харуулсан. Теорем нь квант мэдээллийн онолын хамгийн анхны үр дүнгүүдийн нэг байв.

Криптографийн хөгжил

Тусгаарлагдсан квант системийг судалж, харьцангуйн онолыг тойрон гарах арга замыг хайж олох гэсэн бүх сэтгэл хөдөлж, сонирхож байсан ч квант мэдээллийн онолын судалгаа 1980-аад онд зогсонги байдалд орсон. Гэсэн хэдий ч яг тэр үед квант мэдээлэл, тооцоололд өөр нэг зам гарч ирэв: Криптограф. Ерөнхий утгаараа криптограф гэдэг нь бие биедээ үл итгэх хоёр ба түүнээс дээш талуудыг хамарсан харилцаа холбоо, тооцоолол хийх асуудал юм.

Беннетт, Брассард нар BB84 квант криптографийн протоколыг ашиглан хол зайд нууцаар харилцах аргыг илрүүлэхгүйгээр чагнах боломжгүй харилцааны сувгийг боловсруулсан. Гол санаа нь ажиглалт нь ажиглагдсан зүйлд саад учруулдаг квант механикийн үндсэн зарчмыг ашиглах явдал байсан бөгөөд аюулгүй харилцаа холбооны шугамд чагнах төхөөрөмжийг нэвтрүүлснээр харилцахыг оролдож буй хоёр тал чагнагч байгаа эсэхийг шууд мэдэх боломжтой болно.

Компьютерийн шинжлэх ухаан, математикийн хөгжил

Алан Тьюрингийн программчлагдах компьютер буюу Тьюрингийн машины тухай хувьсгалт санаа гарч ирснээр тэрээр бодит ертөнцийн аливаа тооцооллыг Тьюрингийн машинтай ижил төстэй тооцоолол болгон хөрвүүлж болохыг харуулсан. Үүнийг Сүм-Тюрингийн дипломын ажил гэж нэрлэдэг.

Удалгүй анхны компьютерууд бүтээгдэж, компьютерийн техник хангамж маш хурдацтай хөгжиж, үйлдвэрлэлийн туршлагаар дамжуулан энэхүү өсөлт нь Мурын хууль хэмээх эмпирик харилцаа болгон кодлогдсон юм. Энэхүү "хууль" нь нэгдсэн хэлхээний транзисторын тоо хоёр жил тутамд хоёр дахин нэмэгддэг гэсэн проекцийн чиг хандлага юм. Транзисторууд нь гадаргуугийн талбайд илүү их хүчийг багтаахын тулд улам бүр жижгэрч эхэлснээр электрон төхөөрөмжид квант эффектүүд илэрч, санамсаргүй хөндлөнгийн оролцоог бий болгож эхлэв. Энэ нь алгоритм зохиохдоо квант механикийг ашигласан квант тооцоолол бий болоход хүргэсэн.

Энэ үед квант компьютерууд тодорхой асуудлуудад сонгодог компьютерээс хамаагүй хурдан байх амлалтыг харуулсан. Ийм нэг жишээ бодлогыг Дойч-Жозса алгоритм гэгддэг Дэвид Дойч, Ричард Жозса нар боловсруулсан. Гэсэн хэдий ч энэ асуудал бараг практик хэрэглээг хангаагүй. Питер Шор 1994 онд бүхэл тооны анхны хүчин зүйлийг олох маш чухал бөгөөд практик асуудлыг гаргаж ирэв. Дискрет логарифмын асуудлыг квант компьютер дээр үр дүнтэй шийдэж болох боловч сонгодог компьютер дээр биш, тиймээс квант компьютерууд Тюринг машинаас илүү хүчтэй болохыг харуулж байна.

Мэдээллийн онолын хөгжил

Компьютерийн шинжлэх ухаан хувьсгал хийж байсан тэр үед мэдээллийн онол, харилцаа холбоо Клод Шенноноор дамжсан. Шеннон мэдээллийн онолын хоёр үндсэн теоремыг боловсруулсан: чимээ шуугиангүй сувгийг кодлох теорем ба шуугиантай сувгийг кодлох теорем. Тэрээр мөн алдаа засах кодыг илгээж буй мэдээллийг хамгаалахад ашиглаж болохыг харуулсан.

Квантын мэдээллийн онол мөн ижил төстэй замналыг дагаж байсан бөгөөд 1995 онд Бен Шумахер кубит ашиглан Шенноны чимээгүй кодлох теоремын аналогийг хийсэн. Мөн алдаа засах онолыг боловсруулсан бөгөөд энэ нь квант компьютерт дуу чимээнээс үл хамааран үр ашигтай тооцоолол хийх, шуугиантай квант сувгуудаар найдвартай холбоо тогтоох боломжийг олгодог.

Кубит ба мэдээллийн онол

Квантын мэдээлэл нь битээр илэрхийлэгдсэн сонгодог мэдээллээс гайхалтай, танил бус олон арга замаар эрс ялгаатай. Сонгодог мэдээллийн үндсэн нэгж нь бит байдаг бол квант мэдээллийн хамгийн үндсэн нэгж нь кубит юм. Сонгодог мэдээллийг Шеннон энтропи ашиглан хэмждэг бол квант механик аналог нь Вон Нейманы энтропи юм. Квантын механик системийн статистикийн нэгдэл нь нягтын матрицаар тодорхойлогддог. Сонгодог мэдээллийн онол дахь энтропийн олон хэмжүүрийг Холево энтропи, нөхцөлт квант энтропи зэрэг квант тохиолдолд ерөнхийд нь авч үзэж болно.

Сонгодог дижитал төлөвөөс (дискрет) ялгаатай нь кубит нь үргэлжилсэн утгатай бөгөөд Блокийн бөмбөрцөг дээрх чиглэлээр тодорхойлогддог. Хэдийгээр ийм байдлаар тасралтгүй үнэлэгддэг ч кубит нь квант мэдээллийн боломжит хамгийн бага нэгж бөгөөд кубит төлөвийг тасралтгүй үнэлж байгаа хэдий ч утгыг нарийн хэмжих боломжгүй юм. Таван алдартай теоремууд нь квант мэдээллийг ашиглах хязгаарлалтыг тодорхойлдог.

• Кубитыг сонгодог бит болгон хувиргах боломжгүй гэж заасан цацраг идэвхгүй теорем; Энэ нь бүрэн "унших" боломжгүй юм.
• Дурын кубитийг хуулбарлахаас сэргийлдэг клончлолгүй теорем,
• дурын кубитыг устгахаас сэргийлдэг устгахгүй теорем,
• Өргөн нэвтрүүлдэггүй теорем нь дур зоргоороо кубитийг олон хүлээн авагчид хүргэхээс сэргийлдэг, гэхдээ үүнийг нэг газраас нөгөө рүү зөөвөрлөх боломжтой (жишээ нь квант телепортацаар),
• квант мэдээлэл хадгалагдаж байгааг харуулдаг нуугдахгүй теорем Эдгээр теоремууд нь орчлон ертөнц дэх квант мэдээлэл хадгалагдаж байдгийг нотолж, квант мэдээлэл боловсруулах өвөрмөц боломжийг нээж өгдөг.

Квант мэдээллийг боловсруулах

Кубитийн төлөв нь түүний бүх мэдээллийг агуулдаг. Энэ төлөвийг ихэвчлэн Блох бөмбөрцөг дээрх вектор хэлбэрээр илэрхийлдэг. Энэ төлөвийг тэдгээрт шугаман хувиргалт эсвэл квант хаалганы тусламжтайгаар өөрчилж болно. Эдгээр нэгдмэл өөрчлөлтүүдийг Блокийн бөмбөрцөг дээрх эргэлтүүд гэж тодорхойлдог. Сонгодог хаалганууд нь Булийн логикийн танил үйлдлүүдтэй нийцдэг бол квант хаалга нь физикийн нэгдмэл операторууд юм.

Квантын системийн тогтворгүй байдал, төлөвийг хуулбарлах боломжгүйгээс болж квант мэдээллийг хадгалах нь сонгодог мэдээллийг хадгалахаас хамаагүй хэцүү байдаг. Гэсэн хэдий ч квант алдаа засах аргыг ашигласнаар квант мэдээллийг зарчмын хувьд найдвартай хадгалах боломжтой хэвээр байна. Квантын алдааг засах кодууд байгаа нь алдааг тэсвэрлэх чадвартай квант тооцоолол хийх боломжийг бий болгосон.
Сонгодог битүүдийг квант хаалганы тусламжтайгаар кодчилж, дараа нь кубитийн тохиргооноос гаргаж авч болно. Нэг кубит нь өөрөө бэлтгэлийн талаар нэг битээс илүүгүй хүртээмжтэй сонгодог мэдээллийг дамжуулж чаддаг. Энэ бол Холевагийн теорем юм. Гэсэн хэдий ч хэт нягт кодчилолд илгээгч нь орооцолдсон хоёр кубитийн аль нэгэнд үйлчилснээр хамтарсан төлөвийн талаархи хоёр битийн хүртээмжтэй мэдээллийг хүлээн авагч руу дамжуулж чадна.
Квантын мэдээллийг сонгодог харилцааны сувгийн үзэл баримтлалтай ижил төстэй квант сувгаар хөдөлгөж болно. Квантын зурвасууд нь кубитээр хэмжигдэх хязгаарлагдмал хэмжээтэй байдаг; квант сувгууд нь секундэд кубитээр хэмжигдэх хязгаарлагдмал сувгийн багтаамжтай.
Квантын мэдээлэл болон квант мэдээллийн өөрчлөлтийг фон Нейманы энтропи гэж нэрлэдэг Шеннон энтропийн аналогийг ашиглан тоон байдлаар хэмжиж болно.
Зарим тохиолдолд квант алгоритмыг аль ч мэдэгдэж буй сонгодог алгоритмаас илүү хурдан тооцоолоход ашиглаж болно. Үүний хамгийн алдартай жишээ бол дэд экспоненциал цаг зарцуулдаг шилдэг сонгодог алгоритмуудтай харьцуулахад олон гишүүнт тоонд хүчин зүйл хийж чаддаг Шорын алгоритм юм. Факторчилол нь RSA шифрлэлтийн аюулгүй байдлын чухал хэсэг учраас Шорын алгоритм нь квант компьютер ажиллаж байсан ч аюулгүй хэвээр байх шифрлэлтийн схемийг олохыг оролддог квантаас хойшхи криптографийн шинэ талбарыг өдөөсөн юм. Квантын давуу байдлыг харуулсан алгоритмуудын бусад жишээнд Гроверын хайлтын алгоритм багтдаг бөгөөд квант алгоритм нь хамгийн боломжит сонгодог алгоритмаас илүү квадрат хурдыг өгдөг. Квантын компьютерээр үр дүнтэй шийдэж болох асуудлын нарийн төвөгтэй байдлын ангиллыг BQP гэж нэрлэдэг.
Квантын түлхүүрийн хуваарилалт (QKD) нь сонгодог шифрлэлтээс ялгаатай нь сонгодог мэдээллийг болзолгүйгээр аюулгүй дамжуулах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь практикт биш юмаа гэхэд зарчмын хувьд үргэлж эвдэрч чаддаг. QKD-ийн аюулгүй байдлын зарим нарийн ширийн зүйлс одоог хүртэл маргаантай байдгийг анхаарна уу.
Дээрх бүх сэдэв, ялгааг судлах нь квант мэдээллийн онолыг агуулдаг.

Квант механикийн харилцаа

Квант механик нь микроскопийн физик системүүд байгальд хэрхэн динамикаар өөрчлөгддөгийг судалдаг шинжлэх ухаан юм. Квантын мэдээллийн онолын талбарт судалж буй квант системийг бодит ертөнцийн аль ч хувилбараас хийсвэрлэн авч үздэг. Кубит нь жишээлбэл, физикийн хувьд шугаман оптик квант компьютерт фотон, баригдсан ионы квант компьютерт ион эсвэл хэт дамжуулагч квант компьютерт агуулагдах атомуудын том цуглуулга байж болно. Физик хэрэгжилтээс үл хамааран квант мэдээллийн онолд заасан кубитуудын хязгаар, онцлог нь эдгээр бүх системүүдийг математикийн хувьд нарийн төвөгтэй тоонуудын нягтын матрицын ижил аппаратаар дүрсэлсэн байдаг. Квант механикийн өөр нэг чухал ялгаа нь квант механик нь гармоник осциллятор гэх мэт хязгааргүй хэмжээст системийг ихэвчлэн судалдаг бол квант мэдээллийн онол нь тасралтгүй хувьсах систем болон төгсгөлөг хэмжээст системүүдийн аль алинд нь хамааралтай байдаг.

Квантын тооцоолол

Квантын тооцоолол нь суперпозиция, хөндлөнгийн оролцоо, орооцолдох зэрэг квант төлөвүүдийн хамтын шинж чанарыг ашиглан тооцоолол хийх нэг төрөл юм. Квантын тооцооллыг гүйцэтгэдэг төхөөрөмжүүдийг квант компьютер гэж нэрлэдэг.: I-5 Хэдийгээр одоогийн квант компьютерууд нь практик хэрэглээний хувьд ердийн (сонгодог) компьютерээс илүү ажиллахад хэтэрхий жижиг боловч тэдгээр нь бүхэл тооны үржвэрлэлт зэрэг тооцооллын зарим асуудлыг шийдвэрлэх чадвартай гэж үздэг. (RSA шифрлэлтийн үндэс суурь) нь сонгодог компьютерээс хамаагүй хурдан юм. Квантын тооцооллын судалгаа нь квант мэдээллийн шинжлэх ухааны дэд салбар юм.

Квантын тооцоолол нь 1980 онд физикч Пол Бениоф Тьюрингийн машины квант механик загварыг санал болгосноор эхэлсэн. Хожим нь Ричард Фейнман, Юрий Манин нар квант компьютер нь сонгодог компьютерийн хийж чадахгүй зүйлийг дуурайлган хийх чадвартай гэж үзсэн. 1994 онд Питер Шор RSA шифрлэгдсэн харилцаа холбооны кодыг тайлах боломжтой бүхэл тоог факторинг хийх квант алгоритмыг боловсруулсан. 1998 онд Исаак Чуанг, Нейл Гершенфельд, Марк Кубинец нар тооцоолол хийх боломжтой анхны хоёр кубитын квант компьютерийг бүтээжээ. 1990-ээд оны сүүлээс хойш үргэлжилсэн туршилтын ахиц дэвшлийг үл харгалзан ихэнх судлаачид "гадаа тэсвэртэй квант тооцоолол нь холын мөрөөдөл хэвээр байна" гэж үздэг. Сүүлийн жилүүдэд төрийн болон хувийн хэвшилд квант тооцооллын судалгаанд оруулах хөрөнгө оруулалт нэмэгдэж байна. 23 оны 2019-р сарын XNUMX-нд Google AI нь АНУ-ын Үндэсний Агаарын болон Сансар судлалын агентлаг (НАСА)-тай хамтран ямар ч сонгодог компьютер дээр боломжгүй квант тооцоолол хийсэн гэж мэдэгдсэн боловч энэ мэдэгдэл хүчинтэй байсан эсвэл хүчинтэй байгаа эсэх нь идэвхтэй судалгаа.

Квантын хэлхээний загвар, квант Тьюрингийн машин, адиабат квант компьютер, нэг талын квант компьютер, янз бүрийн квант эсийн автомат зэрэг квант компьютерийн хэд хэдэн төрөл байдаг (мөн квант тооцоолох систем гэж нэрлэдэг). Хамгийн өргөн хэрэглэгддэг загвар бол квант бит буюу "кубит" дээр суурилсан квант хэлхээ бөгөөд сонгодог тооцооллын биттэй зарим талаараа төстэй юм. Кубит нь 1 эсвэл 0 квант төлөвт эсвэл 1 ба 0 төлөвийн суперпозицияд байж болно. Хэмжих үед энэ нь үргэлж 0 эсвэл 1 байна; Аль ч үр дүнгийн магадлал нь хэмжилт хийхээс өмнөх кубитийн квант төлөвөөс хамаарна.

Физик квант компьютер бүтээх хүчин чармайлт нь өндөр чанартай кубит үүсгэх зорилготой трансмон, ион урхи, топологийн квант компьютер зэрэг технологид чиглэгддэг. Квантын логик хаалга, квантын задрал эсвэл адиабат квант тооцоолол уу. Одоогийн байдлаар ашигтай квант компьютер бүтээхэд хэд хэдэн чухал саад бэрхшээл тулгарч байна. Кубитийн квант төлөв байдлыг хадгалах нь ялангуяа хэцүү байдаг, учир нь тэд квант задрал, төлөв байдлын үнэнч байдлаас болж зовж байдаг. Тиймээс квант компьютерууд алдаа засах шаардлагатай байдаг.

Сонгодог компьютерээр шийдэж болох аливаа тооцооллын асуудлыг мөн квант компьютерээр шийдэж болно. Эсрэгээр, квант компьютерээр шийдэж болох аливаа асуудлыг сонгодог компьютер ч бас шийдэж чадна, наад зах нь зарчмын хувьд хангалттай хугацаа өгсөн. Өөрөөр хэлбэл, квант компьютерууд Сүмийн-Тюрингийн диссертацид захирагддаг. Энэ нь тооцоолох чадварын хувьд квант компьютер нь сонгодог компьютерээс нэмэлт давуу талгүй боловч тодорхой асуудлын квант алгоритм нь мэдэгдэж буй сонгодог алгоритмуудаас хамаагүй бага цаг хугацааны нарийн төвөгтэй байдаг гэсэн үг юм. Квантын компьютерууд нь ямар ч сонгодог компьютер ямар ч хугацаанд шийдэж чадахгүй тодорхой асуудлуудыг хурдан шийдвэрлэх чадвартай гэж үздэг бөгөөд үүнийг "квантын давуу байдал" гэж нэрлэдэг. Квантын компьютертэй холбоотой асуудлын тооцооллын нарийн төвөгтэй байдлын судалгааг квант нарийн төвөгтэй байдлын онол гэж нэрлэдэг.

Квантын тооцооллын давамгайлсан загвар нь тооцооллыг квант логик хаалганы сүлжээгээр тодорхойлдог. Энэ загварыг сонгодог хэлхээний хийсвэр шугаман-алгебрийн ерөнхий дүгнэлт гэж үзэж болно. Энэхүү хэлхээний загвар нь квант механикийг дагаж мөрддөг тул эдгээр хэлхээг үр дүнтэй ажиллуулах чадвартай квант компьютерийг физикийн хувьд хэрэгжүүлэх боломжтой гэж үздэг.

n бит мэдээллээс бүрдэх санах ой нь 2^n боломжит төлөвтэй байна. Бүх санах ойн төлөвийг илэрхийлэх вектор нь 2^n оруулгатай (төлөв тус бүрт нэг). Энэ векторыг магадлалын вектор гэж үздэг бөгөөд санах ой нь тодорхой төлөвт байх ёстойг илэрхийлдэг.

Сонгодог үзэл баримтлалд нэг оруулга 1 гэсэн утгатай (өөрөөр хэлбэл энэ төлөвт байх магадлал 100%) байх ба бусад бүх оруулгууд тэг байх болно.

Квант механикийн хувьд магадлалын векторуудыг нягтралын операторуудад нэгтгэн дүгнэж болно. Квантын төлөвийн вектор формализмыг ихэвчлэн эхлээд нэвтрүүлдэг, учир нь энэ нь үзэл баримтлалын хувьд илүү хялбар бөгөөд квант системийг бүхэлд нь мэддэг цэвэр төлөвт нягтын матрицын формализмын оронд ашиглах боломжтой байдаг.

квант тооцооллыг квант логик хаалга, хэмжилтийн сүлжээ гэж тодорхойлж болно. Гэсэн хэдий ч аливаа хэмжилтийг квант тооцооллын төгсгөл хүртэл хойшлуулж болох боловч энэ хойшлуулалт нь тооцооллын өртөгтэй байж болох тул ихэнх квант хэлхээ нь зөвхөн квант логик хаалганаас бүрдэх сүлжээг дүрсэлдэг бөгөөд хэмжилт байхгүй.

Аливаа квант тооцооллыг (энэ нь дээрх формализмд n кубитээс дээш аливаа нэгдмэл матрицыг) нилээд жижиг гэр бүлийн квант логик хаалганы сүлжээ болгон төлөөлж болно. Ийм хэлхээг ажиллуулж чадах компьютер нь универсал квант компьютер учраас ийм бүтээн байгуулалтыг хийх боломжтой хаалганы гэр бүлийн сонголтыг универсал хаалганы багц гэж нэрлэдэг. Нийтлэг нэг ийм багцад бүх ганц кубит хаалга, дээрээс нь CNOT хаалга орно. Энэ нь CNOT хаалгатай хамт нэг кубит хаалганы дарааллыг гүйцэтгэх замаар аливаа квант тооцооллыг хийж болно гэсэн үг юм. Хэдийгээр энэ хаалганы багц нь хязгааргүй боловч Соловай-Китаевын теоремийг давж заалдах замаар үүнийг төгсгөлтэй хаалганы багцаар сольж болно.

Квант алгоритмууд

Квантын адиабат алгоритм гэх мэт үл хамаарах зүйлүүд байдаг ч квант алгоритмыг олох ахиц дэвшил нь ихэвчлэн энэхүү квант хэлхээний загварт төвлөрдөг. Квантын алгоритмуудыг харгалзах сонгодог алгоритмуудаас хурдасгах төрлөөр нь ойролцоогоор ангилж болно.

Хамгийн сайн мэддэг сонгодог алгоритмаас илүү олон гишүүнт хурдыг санал болгодог квант алгоритмууд нь Шорын факторинг хийх алгоритм ба салангид логарифмыг тооцоолох, Пеллийн тэгшитгэлийг шийдвэрлэх, ерөнхийдөө абелийн төгсгөлтэй бүлгүүдийн далд дэд бүлгийн асуудлыг шийдвэрлэхэд зориулсан холбогдох квант алгоритмууд орно. Эдгээр алгоритмууд нь Фурьегийн квант хувиргалтын командаас хамаардаг. Хэдийгээр тийм хурдан сонгодог алгоритмыг нээх боломжгүй гэдгийг харуулсан математикийн нотолгоо олдоогүй ч энэ нь магадлал багатай гэж тооцогддог.[өөрийгөө нийтэлсэн эх сурвалж?] Симоны бодлого, Бернштейн-Вазирани бодлого гэх мэт зарим oracle бодлого нь хурдыг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог. нь квант асуулгын загварт байгаа бөгөөд энэ нь хязгаарлагдмал загвар бөгөөд доод хязгаарыг нотлоход илүү хялбар бөгөөд практик асуудлуудыг хурдасгах албагүй.

Хими ба хатуу биетийн физикийн квант физикийн процессыг загварчлах, Жонсын олон гишүүнтийг ойртуулах, шугаман тэгшитгэлийн системийн квант алгоритм зэрэг бусад асуудлууд нь квант алгоритмууд нь супер олон гишүүнт хурдыг өгдөг бөгөөд BQP-д бүрэн гүйцэд байдаг. Эдгээр асуудлууд нь BQP-д бүрэн гүйцэд тул ижил хурдтай сонгодог алгоритм нь ямар ч квант алгоритм супер олон гишүүнт хурдыг өгдөггүй гэсэн үг бөгөөд энэ нь магадлал багатай гэж үздэг.

Гроверын алгоритм ба далайцын олшруулалт зэрэг зарим квант алгоритмууд нь харгалзах сонгодог алгоритмуудаас олон гишүүнт хурдыг өгдөг. Эдгээр алгоритмууд нь харьцангуй бага хэмжээний квадрат хурдыг өгдөг боловч өргөн хэрэглэгддэг тул өргөн хүрээний асуудлыг шийдвэрлэх хурдыг өгдөг. Асуулгын бодлогод зориулсан нотлогдох квант хурдатгалын олон жишээ нь Гроверын алгоритмтай холбоотой бөгөөд үүнд Гроверын алгоритмыг ашигладаг хоёр-нэг функц дэх мөргөлдөөнийг олох Брассард, Хойер, Таппын алгоритм, мөн НАН-д зориулсан Фархи, Голдстоун, Гутманы алгоритмууд багтсан болно. хайлтын асуудлын нэг хувилбар болох мод.

Криптографийн програмууд

Квантын тооцооллын хамгийн алдартай хэрэглээ бол одоо ашиглагдаж байгаа криптографийн системд халдлага хийх явдал юм. Нийтийн түлхүүрийн криптографийн системийн аюулгүй байдлын үндэс болсон бүхэл тоон хүчин зүйлчлэл нь цөөн тооны анхны тоонуудын үржвэр (жишээлбэл, 300 оронтой хоёр анхны тооны үржвэр) бол том бүхэл тоонуудын энгийн компьютерт тооцоолох боломжгүй гэж үздэг. Харьцуулбал квант компьютер нь Шорын алгоритмыг ашиглан түүний хүчин зүйлсийг олохын тулд энэ асуудлыг үр дүнтэй шийдэж чадна. Энэхүү чадвар нь квант компьютерт өнөөдөр ашиглагдаж байгаа олон тооны криптографийн системийг эвдэх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь асуудлыг шийдвэрлэх олон гишүүнт цаг (бүхэл тооны цифрүүдийн тоогоор) алгоритмтай байх болно. Ялангуяа алдартай нийтийн түлхүүрийн шифрүүдийн ихэнх нь бүхэл тоонуудыг хүчин зүйлээр ялгахад хүндрэлтэй байдаг эсвэл салангид логарифмын бодлогод суурилдаг бөгөөд эдгээрийг хоёуланг нь Шорын алгоритмаар шийдэж болно. Ялангуяа RSA, Diffie-Hellman, зууван муруй Диффи-Хеллман алгоритмуудыг эвдэж болно. Эдгээр нь аюулгүй вэб хуудас, шифрлэгдсэн имэйл болон бусад олон төрлийн өгөгдлийг хамгаалахад ашиглагддаг. Эдгээрийг зөрчих нь цахим нууцлал, аюулгүй байдалд ихээхэн үр дагавар авчрах болно.

Квантын алгоритмын эсрэг аюулгүй байж болох криптографийн системийг тодорхойлох нь квантын дараах криптографийн чиглэлээр идэвхтэй судлагдсан сэдэв юм. Зарим нийтийн түлхүүрийн алгоритмууд нь Шорын алгоритм хамаарах бүхэл тоон хүчин зүйлчлэл болон дискрет логарифмын бодлогоос бусад асуудлууд дээр суурилдаг, тухайлбал, кодчиллын онолын асуудалд суурилсан McEliece криптосистем. Сүлжээнд суурилсан криптосистемийг квант компьютерууд эвддэг нь бас мэдэгддэггүй бөгөөд олон тооны торонд суурилсан криптосистемийг эвдэх хоёр талт далд дэд бүлгийн асуудлыг шийдвэрлэх олон гишүүнт цагийн алгоритмыг олох нь сайн судлагдсан нээлттэй бодлого юм. Симметрик (нууц түлхүүр) алгоритмыг бүдүүлэг хүчээр эвдэхийн тулд Гроверын алгоритмыг ашиглах нь сонгодог тохиолдолд ойролцоогоор 2n-тэй харьцуулахад үндсэн криптограф алгоритмын ойролцоогоор 2n/2 дуудлагатай тэнцэх хугацаа шаардагдах нь батлагдсан бөгөөд энэ нь тэгш хэмтэй түлхүүрийн уртыг үр дүнтэй хоёр дахин багассан: AES-256 нь Гроверын алгоритмыг ашиглан халдлагын эсрэг AES-128 нь сонгодог бүдүүлэг хайлтын эсрэг хамгаалалттай байх болно (Түлхүүрийн хэмжээг харна уу).

Квантын криптограф нь нийтийн түлхүүрийн криптографийн зарим функцийг гүйцэтгэх боломжтой. Тиймээс квантад суурилсан криптографийн системүүд нь уламжлалт системээс илүү найдвартай байж болох юм.

Хайлтын асуудал

Олон гишүүнт квантын хурдыг хүлээн зөвшөөрөх асуудлын хамгийн алдартай жишээ бол бүтэцгүй хайлт, мэдээллийн сан дахь n зүйлийн жагсаалтаас тэмдэглэсэн зүйлийг олох явдал юм. Үүнийг өгөгдлийн сангийн O(sqrt(n)) асуулга ашиглан Гроверын алгоритмаар шийдэж болох бөгөөд энэ нь сонгодог алгоритмд шаардлагатай Omega(n) асуулгаас квадратаар бага юм. Энэ тохиолдолд давуу тал нь нотлогдох төдийгүй оновчтой: Гроверын алгоритм нь ямар ч тооны oracle хайлтанд хүссэн элементийг олох магадлалыг хамгийн дээд хэмжээнд хүргэдэг болохыг харуулсан.

Гроверын алгоритмаар шийдэж болох асуудлууд нь дараах шинж чанаруудтай.

• Боломжит хариултуудын цуглуулгад хайх боломжтой бүтэц байхгүй,
• Шалгах боломжтой хариултуудын тоо нь алгоритмын оролтын тоотой ижил байна, мөн
• Оролц бүрийг үнэлж, зөв ​​хариулт эсэхийг тодорхойлох логик функц байдаг

Эдгээр бүх шинж чанаруудтай холбоотой асуудлуудын хувьд квант компьютер дээрх Гроверын алгоритмын ажиллах хугацаа нь сонгодог алгоритмуудын шугаман масштабаас ялгаатай нь оролтын (эсвэл мэдээллийн сан дахь элементүүдийн) тооны квадрат язгуураар хэмжигддэг. Гроверын алгоритмыг ашиглаж болох бодлогуудын ерөнхий ангилал бол логикийн сэтгэл ханамжийн бодлого бөгөөд алгоритм давтагдах мэдээллийн сан нь бүх боломжит хариултуудынх юм. Үүний жишээ ба (боломжтой) хэрэглүүр бол нууц үгээ таах оролдлого хийдэг нууц үг хагалагч юм. Triple DES болон AES зэрэг тэгш хэмтэй шифрүүд нь ийм төрлийн халдлагад өртөмтгий байдаг.[ишлэл шаардлагатай] Квантын тооцооллын энэхүү хэрэглээ нь төрийн байгууллагуудын гол сонирхол юм.

Квантын системийн симуляци

Хими, нанотехнологи нь квант системийг ойлгоход тулгуурладаг тул ийм системийг сонгодог аргаар үр дүнтэй дуурайх боломжгүй байдаг тул квантын симуляци нь квант тооцооллын хамгийн чухал хэрэглээний нэг болно гэж олон хүн үздэг. Квантын симуляцийг мөргөлдөөн доторх урвал гэх мэт ер бусын нөхцөлд атом ба бөөмсийн зан төлөвийг дуурайлган загварчлахад ашиглаж болно. Давхар ангархай туршилтын үед суперпозиция дор байгаа бөөмс болон протонуудын ирээдүйн замыг урьдчилан таамаглахад квант симуляцийг ашиглаж болно.[ишлэл шаардлагатай] Жилийн дэлхийн эрчим хүчний гарцын 2 орчим хувийг хөдөө аж ахуйн Хабер процесст аммиак үйлдвэрлэхийн тулд азотын бэхжилтэд зарцуулдаг. бордооны үйлдвэр байгалийн гаралтай организмууд аммиак үйлдвэрлэдэг. Энэхүү үйлдвэрлэлийг нэмэгдүүлэх үйл явцыг ойлгохын тулд квант симуляцийг ашиглаж болно.

Квантын задрал ба адиабат оновчлол
Квантын задрал буюу адиабат квант тооцоолол нь тооцоолол хийхдээ адиабат теорем дээр тулгуурладаг. Энгийн Гамильтонианд зориулсан системийг үндсэн төлөвт байрлуулсан бөгөөд энэ нь аажмаар илүү төвөгтэй Гамильтониан болж хувирдаг бөгөөд үндсэн төлөв нь тухайн асуудлын шийдлийг илэрхийлдэг. Адиабатын теорем нь хэрэв хувьсал хангалттай удаан байвал систем үйл явцын туршид үргэлж үндсэн төлөвтөө үлдэнэ гэж заасан байдаг.

Машины сургалт

Квантын компьютерууд нь сонгодог компьютерууд үр дүнтэй гаргаж чаддаггүй гаралтыг гаргаж чаддаг, мөн квант тооцоолол нь үндсэндээ шугаман алгебрийн шинж чанартай байдаг тул зарим хүмүүс машин сургалтын ажлыг хурдасгах квант алгоритмуудыг хөгжүүлэх итгэл найдварыг илэрхийлж байна. Жишээлбэл, шугаман тэгшитгэлийн системийн квант алгоритм буюу түүнийг нээсэн Харроу, Хассидим, Ллойд нарын нэрээр нэрлэсэн "HHL алгоритм" нь сонгодог хувилбаруудаас илүү хурдацтай байдаг гэж үздэг. Зарим судалгааны бүлгүүд саяхан Больцманы машин болон гүн мэдрэлийн сүлжээг сургахад квант анивалтын техник хэрэгслийг ашиглах талаар судалжээ.

Тооцооллын биологи

Тооцооллын биологийн салбарт квант тооцоолол нь биологийн олон асуудлыг шийдвэрлэхэд ихээхэн үүрэг гүйцэтгэсэн. Хамгийн алдартай жишээнүүдийн нэг нь тооцооллын геномик ба тооцоолол нь хүний ​​геномыг дараалалд оруулах хугацааг хэрхэн эрс багасгасан тухай юм. Тооцооллын биологи нь ерөнхий өгөгдлийн загварчлал, хадгалалтыг хэрхэн ашиглаж байгааг харгалзан тооцооллын биологид хэрэглэх нь мөн гарч ирэх төлөвтэй байна.

Компьютерийн тусламжтай эмийн дизайн, үүсгэгч хими

Гүн үүсгэгч химийн загварууд нь эмийн нээлтийг хурдасгах хүчирхэг хэрэгсэл болж гарч ирдэг. Гэсэн хэдий ч эмтэй төстэй бүх боломжит молекулуудын бүтцийн орон зайн асар том хэмжээ, нарийн төвөгтэй байдал нь ирээдүйд квант компьютерээр даван туулах томоохон саад бэрхшээлийг үүсгэдэг. Квантын компьютерууд нь квант олон биетийн нарийн төвөгтэй асуудлуудыг шийдвэрлэхэд сайн байдаг тул квант химийн хэрэглээнд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Тиймээс квантын GAN-уудыг багтаасан квантаар сайжруулсан үүсгүүрийн загварууд эцэстээ эцсийн үүсгүүрийн химийн алгоритмууд болж хөгжинө гэж найдаж болно. Квантын вариацын автомат кодлогч гэх мэт гүн сонгодог сүлжээнүүдтэй квант компьютеруудыг хослуулсан эрлийз архитектурыг худалдаанд гарсан анялерууд дээр сургаж, эмтэй төстэй шинэ молекул бүтцийг бий болгоход ашиглаж болно.

Физик квант компьютерийг хөгжүүлэх
Тулгамдаж буй асуудал
Том хэмжээний квант компьютер бүтээхэд хэд хэдэн техникийн бэрхшээл тулгардаг. Физикч Дэвид ДиВинчензо практик квант компьютерт тавигдах эдгээр шаардлагыг жагсаасан байна.

• Кубитийн тоог нэмэгдүүлэхийн тулд физикийн хувьд өргөтгөх боломжтой,
• Дурын утгыг эхлүүлэх боломжтой кубитууд,
• Декогерентийн хугацаанаас хурдан квант хаалга,
• Бүх нийтийн хаалганы багц,
• Уншихад хялбар кубитууд.

Квантын компьютерийн эд ангиудыг олж авах нь бас маш хэцүү байдаг. Google болон IBM-ийн бүтээсэн олон тооны квант компьютерт цөмийн судалгааны нэмэлт бүтээгдэхүүн болох гелий-3, зөвхөн Японы Coax Co компанийн хийсэн тусгай хэт дамжуулагч кабель хэрэгтэй.

Олон кубит системийг удирдах нь цаг хугацааны нягт, тодорхой нарийвчлалтай олон тооны цахилгаан дохиог үүсгэх, зохицуулахыг шаарддаг. Энэ нь кубитуудтай харилцах боломжийг олгодог квант хянагчийг хөгжүүлэхэд хүргэсэн. Өсөн нэмэгдэж буй кубитуудыг дэмжихийн тулд эдгээр системийг өргөтгөх нь нэмэлт бэрхшээл юм.

Квантын decoherence

Квантын компьютерийг бүтээхэд тулгардаг хамгийн том сорилтуудын нэг бол квант декогерентийг хянах эсвэл арилгах явдал юм. Энэ нь ихэвчлэн гадаад ертөнцтэй харилцан үйлчлэлцэх нь системийг задрахад хүргэдэг тул системийг хүрээлэн буй орчноос нь тусгаарлана гэсэн үг юм. Гэсэн хэдий ч эвдрэлийн бусад эх сурвалжууд бас байдаг. Жишээ нь квант хаалга, торны чичиргээ болон кубитуудыг хэрэгжүүлэхэд ашигладаг физик системийн арын термоядролын эргэлт зэрэг болно. Декогерент нь эргэлт буцалтгүй, учир нь энэ нь үр дүнтэй нэгдмэл биш бөгөөд хэрэв зайлсхийхгүй бол ихэвчлэн хяналтанд байх ёстой зүйл юм. Нэр дэвшигчдийн системүүдийн уялдаа холбоог таслах хугацаа, ялангуяа хөндлөн тайвшрах хугацаа T2 (NMR ба MRI технологийн хувьд мөн задрах хугацаа гэж нэрлэдэг) бага температурт наносекунд болон секундын хооронд хэлбэлздэг. Одоогийн байдлаар зарим квант компьютерууд их хэмжээний задралаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд кубитуудыг 20 милликелвин хүртэл хөргөхийг шаарддаг (ихэвчлэн шингэлэх хөргөгч ашигладаг). 2020 оны судалгаагаар сансар огторгуйн туяа гэх мэт ионжуулагч цацраг нь зарим системийг миллисекундэд задрахад хүргэдэг гэж үздэг.

Үүний үр дүнд, цаг хугацаа шаардсан ажлууд нь зарим квант алгоритмуудыг ажиллахгүй болгож болзошгүй тул кубитийн төлөвийг хангалттай удаан хугацаанд хадгалах нь эцэстээ суперпозицийг эвдэх болно.

Эдгээр асуудлууд нь оптик хандлагын хувьд илүү хэцүү байдаг, учир нь хугацаа нь илүү богино бөгөөд тэдгээрийг даван туулах арга нь оптик импульсийн хэлбэр юм. Алдааны хувь хэмжээ нь ихэвчлэн ажиллах хугацаа ба салгах хугацаатай пропорциональ байдаг тул аливаа ажиллагааг задлах хугацаанаас хамаагүй хурдан хийх ёстой.

Квантын босго теоремд тодорхойлсончлон хэрэв алдааны түвшин хангалттай бага байвал алдаа, декогерентийг дарахын тулд квант алдааны залруулга ашиглах боломжтой гэж үздэг. Энэ нь алдаа засах схем нь алдааг задлахаас илүү хурдан засч чадах юм бол нийт тооцооны хугацаа нь салгах хугацаанаас илүү урт байх боломжийг олгоно. Дуу чимээг деполяризаци гэж үзвэл эвдрэлд тэсвэртэй тооцоололд орох хаалга тус бүрд шаардагдах алдааны хувь хэмжээг ихэвчлэн иш татдаг тоо нь 10−3 байна.

Энэхүү өргөтгөх нөхцөлийг хангах нь өргөн хүрээний системд боломжтой юм. Гэсэн хэдий ч алдаа засах аргыг ашиглах нь шаардлагатай квбитийн тоог эрс нэмэгдүүлсэн зардлыг дагуулдаг. Шорын алгоритмыг ашиглан бүхэл тоог хүчинжүүлэхэд шаардагдах тоо нь олон гишүүнт хэвээр байгаа бөгөөд L ба L2-ын хооронд байна гэж үзсэн бөгөөд L нь хүчин зүйлд хамаарах тоон дахь цифрүүдийн тоо; алдаа засах алгоритмууд энэ тоог L-ийн нэмэлт хүчин зүйлээр нэмэгдүүлнэ. 1000 битийн тооны хувьд энэ нь алдаа засахгүйгээр ойролцоогоор 104 бит шаардлагатай гэсэн үг юм. Алдаа зассанаар энэ тоо 107 бит болж өснө. Тооцооллын хугацаа нь L2 буюу ойролцоогоор 107 алхам бөгөөд 1 МГц-т 10 секунд орчим байна.

Тогтвортой байдал-декогерентийн асуудалд тэс өөр хандлага бол утас болгон ашигладаг анион, хагас бөөмс бүхий топологийн квант компьютерийг бүтээх, тогтвортой логик хаалга үүсгэх сүлжих онолд тулгуурлах явдал юм.

Квантын давамгайлал

Квантын давамгайлал гэдэг нь программчлагдах квант төхөөрөмж нь орчин үеийн сонгодог компьютерийн чадавхиас давсан асуудлыг шийдэж чадна гэдгийг харуулах инженерийн эр зоригийг илэрхийлсэн Жон Прескилийн нэр томъёо юм. Асуудал нь ашигтай байх албагүй тул зарим нь квантын давуу байдлын тестийг зөвхөн ирээдүйн боломжит жишиг гэж үздэг.

2019 оны 3,000,000-р сард Google AI Quantum нь НАСА-гийн тусламжтайгаар дэлхийн хамгийн хурдан гэж тооцогддог Summit дээр хийгдэхээс XNUMX дахин хурдан Sycamore квант компьютер дээр тооцоолол хийж, квантын давамгайлалд хүрсэн гэж анх мэдэгдсэн. компьютер. Дараа нь энэ нэхэмжлэлийг эсэргүүцсэн: IBM Summit түүврийг нэхэмжилсэнээс хамаагүй хурдан хийж чадна гэж мэдэгдсэн бөгөөд судлаачид квантын давамгайлалыг батлахад ашигласан түүвэрлэлтийн асуудалд илүү сайн алгоритмуудыг боловсруулж, Sycamore болон Sycamore хоёрын хоорондох ялгааг багасгах эсвэл хаах боломжийг олгосон. сонгодог супер компьютерууд.

2020 оны 76-р сард USTC-ийн бүлэг квантын давуу байдлыг харуулахын тулд Jiuzhang фотоник квант компьютерийн тусламжтайгаар 600 фотон дээр Бозоны түүвэрлэлтийн төрлийг хэрэгжүүлсэн. Зохиогчид орчин үеийн сонгодог супер компьютерт квант процессор нь 20 секундын дотор үүсгэж чадах дээжийн тоог гаргахын тулд 16 сая жилийн тооцооллын хугацаа шаардагдана гэж мэдэгджээ. 2021 оны 127-р сарын XNUMX-нд болсон квант тооцооллын дээд хэмжээний уулзалтын үеэр IBM IBM Eagle нэртэй XNUMX квбит микропроцессорыг танилцуулав.

Физик хэрэгжилт

Квантын компьютерийг физикийн хувьд хэрэгжүүлэхийн тулд олон янзын нэр дэвшигчдийг хайж байгаа бөгөөд тэдгээрийн дотор (кубитийг хэрэгжүүлэхэд ашигладаг физик системээр ялгагдана):

• Хэт дамжуулагч квант тооцоолол (жижиг хэт дамжуулагч хэлхээ, Жозефсон уулзваруудын төлөвөөр хэрэгждэг кубит)
• Хавхлагдсан ионы квант компьютер (хавчигдсан ионуудын дотоод төлөвөөр хэрэгждэг кубит)
• Оптик сүлжээн дэх төвийг сахисан атомууд (оптик торонд баригдсан төвийг сахисан атомын дотоод төлөвөөр хэрэгжүүлсэн кубит)
• Спин дээр суурилсан квант цэгийн компьютер (жишээ нь: Loss-DiVincenzo квант компьютер) (хавагдсан электронуудын эргэлтийн төлөвөөр өгөгдсөн кубит)
• Орон зайд суурилсан квант цэгийн компьютер (хоёр квант цэг дэх электрон байрлалаар өгөгдсөн кубит)
• Өрөөний температурт ажилладаг квантын компьютерийг бүтээх боломжийг зарчмын хувьд зохион бүтээсэн квант худаг ашиглан квант тооцоолол.
• Хосолсон квант утас (квантын цэгийн контактаар холбосон хос квант утсаар хэрэгжүүлсэн кубит)
• Уусмал дахь молекулуудын цөмийн соронзон резонансаар хэрэгжсэн цөмийн соронзон резонансын квант компьютер (NMRQC) нь ууссан молекул доторх цөмийн спинээр кубитыг хангаж, радио долгионоор шалгадаг.
• Хатуу төлөвт NMR Кейн квант компьютерууд (цахиур дахь фосфорын доноруудын цөмийн эргэлтийн төлөвөөр ойлгогдсон кубит)
• Гелийн дээрх электрон квант компьютерууд (кубит нь электрон эргэлт юм)
• Хөндий квант электродинамик (CQED) (өндөр нарийн хөндийтэй хавсарсан атомуудын дотоод төлөвөөр хангагдсан кубит)
• Молекул соронз (спин төлөвөөр өгөгдсөн кубит)
• Фуллерен дээр суурилсан ESR квант компьютер (фуллерен дотор бүрхэгдсэн атом эсвэл молекулуудын электрон эргэлт дээр суурилсан кубит)
• Шугаман бус оптик квант компьютер (шугаман болон шугаман бус элементүүдээр дамжуулан гэрлийн янз бүрийн горимын төлөвийг боловсруулах замаар ойлгодог кубитууд)
• Шугаман оптик квант компьютер (толь, цацраг хуваагч, фазын шилжүүлэгч гэх мэт шугаман элементүүдээр дамжуулан гэрлийн янз бүрийн горимын төлөвийг боловсруулах замаар ойлгодог кубитууд)
• Алмазан дээр суурилсан квант компьютер (алмаз дахь азотын сул төвүүдийн электрон эсвэл цөмийн эргэлтээр хийгдсэн кубит)
• Bose-Einstein конденсат дээр суурилсан квант компьютер
• Транзистор дээр суурилсан квант компьютер – электростатик урхи ашиглан эерэг нүх оруулах утастай квант компьютер.
• Газрын ховор металлын ионоор баяжуулсан органик бус болорт суурилсан квант компьютерууд (оптик утасн дахь нэмэлт бодисын дотоод электрон төлөвт тулгуурласан кубит)
• Металл төстэй нүүрстөрөгчийн нано бөмбөрцөгт суурилсан квант компьютерууд
• Олон тооны нэр дэвшигчид нь квант тооцоолол хурдацтай хөгжиж байгаа хэдий ч эхэн үедээ байгааг харуулж байна.

Тооцооллыг задалдаг үндсэн элементүүдээр ялгагддаг квант тооцооллын хэд хэдэн загвар байдаг. Практик хэрэгжилтийн хувьд тооцоолох дөрвөн холбогдох загвар нь:

• Квантын хаалганы массив (цөөн квант квант хаалганы дараалал болгон задалсан тооцоолол)
• Нэг талын квант компьютер (маш орооцолдсон анхны төлөв эсвэл кластерийн төлөвт хэрэглэсэн нэг кубит хэмжилтийн дараалал болгон задалсан тооцоолол)
• Квантын задралд суурилсан адиабат квантын компьютер (тооцоолол нь үндсэн төлөвүүд нь уусмалыг агуулсан анхны Гамильтонианыг эцсийн Гамилтониан болгон аажмаар тасралтгүй хувиргахад задарсан)
• Топологийн квант компьютер (2 хэмжээст торонд дурын сүлжих болгон задалсан тооцоолол)

Квантын Тьюрингийн машин нь онолын хувьд чухал боловч энэ загварыг физик байдлаар хэрэгжүүлэх боломжгүй юм. Тооцооллын дөрвөн загвар бүгд ижил тэнцүү болохыг харуулсан; тус бүр нь олон гишүүнтээс илүүгүй өөр нэгийг дуурайж чаддаг.