EITC/QI/QIF క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ఫండమెంటల్స్ అనేది క్వాంటం సమాచారం మరియు క్వాంటం గణన యొక్క సైద్ధాంతిక మరియు ఆచరణాత్మక అంశాలపై యూరోపియన్ IT సర్టిఫికేషన్ ప్రోగ్రామ్, ఇది క్లాసికల్ ఫిజిక్స్ కంటే క్వాంటం ఫిజిక్స్ యొక్క చట్టాల ఆధారంగా మరియు వాటి శాస్త్రీయ ప్రతిరూపాలపై గుణాత్మక ప్రయోజనాలను అందిస్తుంది.
EITC/QI/QIF క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ఫండమెంటల్స్ యొక్క పాఠ్యాంశాలు క్వాంటం మెకానిక్స్ (డబుల్ స్లిట్ ప్రయోగం మరియు మ్యాటర్ వేవ్ జోక్యాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకోవడంతో సహా), క్వాంటం సమాచారం పరిచయం (క్విట్లు మరియు వాటి జ్యామితీయ ప్రాతినిధ్యం), కాంతి ధ్రువణత, అనిశ్చితి సూత్రం, క్వాంటం. చిక్కుముడి, EPR పారడాక్స్, బెల్ అసమానత ఉల్లంఘన, స్థానిక వాస్తవికతను విడిచిపెట్టడం, క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్ (యూనిటరీ ట్రాన్స్ఫర్మేషన్, సింగిల్-క్విట్ మరియు టూ-క్విట్ గేట్లతో సహా), నో-క్లోనింగ్ సిద్ధాంతం, క్వాంటం టెలిపోర్టేషన్, క్వాంటం కొలత, క్వాంటం కంప్యూటేషన్ (పరిచయంతో సహా -క్విట్ సిస్టమ్స్, యూనివర్సల్ ఫ్యామిలీ ఆఫ్ గేట్స్, రివర్సిబిలిటీ ఆఫ్ కంప్యూటేషన్), క్వాంటం అల్గారిథమ్లు (క్వాంటం ఫోరియర్ ట్రాన్స్ఫార్మ్తో సహా, సైమన్ అల్గారిథమ్, ఎక్స్టెండెడ్ చుర్హ్-ట్యూరింగ్ థీసిస్, షోర్క్ క్వాంటం ఫ్యాక్టరింగ్ అల్గారిథమ్, గ్రోవర్స్ క్వాంటమ్ సెర్చ్, క్వాంటమ్ సెర్చ్, క్వాంటమ్ క్వాంటేషన్) క్విట్స్ అమలులు, క్వాంటం సంక్లిష్టత సిద్ధాంతం, అడియాబాటిక్ క్వాంటం కంప్యూటట్ ion, BQP, ఈ EITC సర్టిఫికేషన్కు సూచనగా సమగ్ర వీడియో సందేశాత్మక కంటెంట్ని కలిగి ఉన్న కింది నిర్మాణంలో స్పిన్కు పరిచయం.
క్వాంటం సమాచారం అనేది క్వాంటం వ్యవస్థ యొక్క స్థితి యొక్క సమాచారం. ఇది క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీలో అధ్యయనం యొక్క ప్రాథమిక అంశం, మరియు క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులను ఉపయోగించి మార్చవచ్చు. క్వాంటం సమాచారం వాన్ న్యూమాన్ ఎంట్రోపీ మరియు సాధారణ గణన పదం పరంగా సాంకేతిక నిర్వచనం రెండింటినీ సూచిస్తుంది.
క్వాంటం సమాచారం మరియు గణన అనేది ఇతర రంగాలలో క్వాంటం మెకానిక్స్, కంప్యూటర్ సైన్స్, ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ, ఫిలాసఫీ మరియు క్రిప్టోగ్రఫీని కలిగి ఉన్న ఇంటర్ డిసిప్లినరీ ఫీల్డ్. దీని అధ్యయనం కాగ్నిటివ్ సైన్స్, సైకాలజీ మరియు న్యూరోసైన్స్ వంటి విభాగాలకు కూడా సంబంధించినది. మైక్రోస్కోపిక్ స్కేల్ వద్ద పదార్థం నుండి సమాచారాన్ని సంగ్రహించడంలో దీని ప్రధాన దృష్టి ఉంది. విజ్ఞాన శాస్త్రంలో పరిశీలన అనేది వాస్తవికత యొక్క ప్రాథమిక విలక్షణమైన ప్రమాణం మరియు సమాచారాన్ని పొందే అత్యంత ముఖ్యమైన మార్గాలలో ఒకటి. అందువల్ల పరిశీలనను లెక్కించడానికి కొలత అవసరం, ఇది శాస్త్రీయ పద్ధతికి కీలకమైనది. క్వాంటం మెకానిక్స్లో, అనిశ్చితి సూత్రం కారణంగా, నాన్-కమ్యూటింగ్ అబ్జర్వేబుల్స్ను ఏకకాలంలో ఖచ్చితంగా కొలవలేము, ఎందుకంటే ఒక ప్రాతిపదికన ఈజెన్స్టేట్ మరొక ప్రాతిపదికన ఈజెన్స్టేట్ కాదు. రెండు వేరియబుల్స్ ఏకకాలంలో బాగా నిర్వచించబడనందున, క్వాంటం స్థితి రెండు వేరియబుల్స్ గురించి ఖచ్చితమైన సమాచారాన్ని కలిగి ఉండదు. క్వాంటం మెకానిక్స్లో కొలత యొక్క ఈ ప్రాథమిక లక్షణం కారణంగా, ఈ సిద్ధాంతం సాధారణంగా క్లాసికల్ మెకానిక్స్కు విరుద్ధంగా నాన్డెర్మినిస్టిక్గా వర్గీకరించబడుతుంది, ఇది పూర్తిగా నిర్ణయాత్మకమైనది. క్వాంటం స్టేట్స్ యొక్క అనిర్దిష్టత అనేది క్వాంటం సిస్టమ్స్ స్టేట్స్గా నిర్వచించబడిన సమాచారాన్ని వర్గీకరిస్తుంది. గణిత శాస్త్ర పరంగా ఈ స్థితులు క్లాసికల్ సిస్టమ్స్ స్టేట్ల సూపర్పొజిషన్లలో (లీనియర్ కాంబినేషన్లు) ఉంటాయి.
సమాచారం ఎల్లప్పుడూ భౌతిక వ్యవస్థ యొక్క స్థితిలో ఎన్కోడ్ చేయబడినందున, అది భౌతికంగా ఉంటుంది. క్వాంటం మెకానిక్స్ మైక్రోస్కోపిక్ స్థాయిలో పదార్థం యొక్క లక్షణాలను పరిశీలిస్తుండగా, క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ సైన్స్ ఆ లక్షణాల నుండి సమాచారాన్ని సంగ్రహించడంపై దృష్టి పెడుతుంది మరియు క్వాంటం గణన క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులను ఉపయోగించి - లాజికల్ కార్యకలాపాలను నిర్వహిస్తుంది - క్వాంటం సమాచారాన్ని మార్చుతుంది మరియు ప్రాసెస్ చేస్తుంది.
క్లాసికల్ సమాచారం వంటి క్వాంటం సమాచారాన్ని కంప్యూటర్లను ఉపయోగించి ప్రాసెస్ చేయవచ్చు, ఒక ప్రదేశం నుండి మరొక ప్రదేశానికి ప్రసారం చేయవచ్చు, అల్గారిథమ్లతో మార్చవచ్చు మరియు కంప్యూటర్ సైన్స్ మరియు మ్యాథమెటిక్స్తో విశ్లేషించవచ్చు. శాస్త్రీయ సమాచారం యొక్క ప్రాథమిక యూనిట్ బిట్ అయినట్లే, క్వాంటం సమాచారం క్విట్లతో వ్యవహరిస్తుంది, ఇది 0 మరియు 1 యొక్క సూపర్పొజిషన్లో ఉంటుంది (ఏకకాలంలో కొంతవరకు నిజం మరియు తప్పు). క్వాంటం సమాచారం చిక్కుబడ్డ స్టేట్స్ అని పిలవబడే వాటిలో కూడా ఉండవచ్చు, ఇది వారి కొలతలలో పూర్తిగా నాన్-క్లాసికల్ నాన్-లోకల్ కోరిలేషన్లను వ్యక్తపరుస్తుంది, క్వాంటం టెలిపోర్టేషన్ వంటి అప్లికేషన్లను అనుమతిస్తుంది. చిక్కు స్థాయిని వాన్ న్యూమాన్ ఎంట్రోపీని ఉపయోగించి కొలవవచ్చు, ఇది కూడా క్వాంటం సమాచారం యొక్క కొలత. ఇటీవల, క్వాంటం కంప్యూటింగ్ రంగం ఆధునిక గణన, కమ్యూనికేషన్ మరియు క్రిప్టోగ్రఫీకి అంతరాయం కలిగించే అవకాశం ఉన్నందున చాలా చురుకైన పరిశోధనా ప్రాంతంగా మారింది.
క్వాంటం సమాచారం యొక్క చరిత్ర 20వ శతాబ్దం ప్రారంభంలో క్లాసికల్ ఫిజిక్స్ను క్వాంటం ఫిజిక్స్గా విప్లవాత్మకంగా మార్చినప్పుడు ప్రారంభమైంది. క్లాసికల్ ఫిజిక్స్ యొక్క సిద్ధాంతాలు అతినీలలోహిత విపత్తు లేదా ఎలక్ట్రాన్లు కేంద్రకంలోకి స్పైరలింగ్ వంటి అసంబద్ధతలను అంచనా వేస్తున్నాయి. క్లాసికల్ ఫిజిక్స్కు తాత్కాలిక పరికల్పనను జోడించడం ద్వారా మొదట ఈ సమస్యలను పక్కన పెట్టారు. త్వరలో, ఈ అసంబద్ధతలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఒక కొత్త సిద్ధాంతం సృష్టించబడాలని స్పష్టమైంది మరియు క్వాంటం మెకానిక్స్ సిద్ధాంతం పుట్టింది.
క్వాంటం మెకానిక్స్ వేవ్ మెకానిక్స్ ఉపయోగించి ష్రోడింగర్ మరియు మ్యాట్రిక్స్ మెకానిక్స్ ఉపయోగించి హైసెన్బర్గ్ రూపొందించారు. ఈ పద్ధతుల యొక్క సమానత్వం తరువాత నిరూపించబడింది. వారి సూత్రీకరణలు మైక్రోస్కోపిక్ సిస్టమ్స్ యొక్క గతిశీలతను వివరించాయి, అయితే కొలత ప్రక్రియలను వివరించడంలో అనేక అసంతృప్త అంశాలను కలిగి ఉన్నాయి. వాన్ న్యూమాన్ కొలత మరియు డైనమిక్లను వివరించే విధంగా ఆపరేటర్ ఆల్జీబ్రాను ఉపయోగించి క్వాంటం సిద్ధాంతాన్ని రూపొందించాడు. ఈ అధ్యయనాలు కొలతల ద్వారా సమాచారాన్ని సేకరించేందుకు పరిమాణాత్మక విధానం కంటే కొలత యొక్క తాత్విక అంశాలను నొక్కిచెప్పాయి.
1960లలో, స్ట్రాటోనోవిచ్, హెల్స్ట్రోమ్ మరియు గోర్డాన్ క్వాంటం మెకానిక్స్ ఉపయోగించి ఆప్టికల్ కమ్యూనికేషన్ల సూత్రీకరణను ప్రతిపాదించారు. ఇది క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ సిద్ధాంతం యొక్క మొదటి చారిత్రక ప్రదర్శన. వారు ప్రధానంగా లోపం సంభావ్యతలను మరియు కమ్యూనికేషన్ కోసం ఛానెల్ సామర్థ్యాలను అధ్యయనం చేశారు. తరువాత, హోలెవో క్వాంటం ఛానల్ ద్వారా క్లాసికల్ సందేశాన్ని ప్రసారం చేయడంలో కమ్యూనికేషన్ వేగం యొక్క ఉన్నత స్థాయిని పొందింది.
1970వ దశకంలో, అటామ్ ట్రాప్ మరియు స్కానింగ్ టన్నెలింగ్ మైక్రోస్కోప్ వంటి సింగిల్-అణువు క్వాంటం స్థితులను తారుమారు చేసే సాంకేతికతలు అభివృద్ధి చెందడం ప్రారంభించాయి, తద్వారా ఒకే పరమాణువులను వేరుచేసి వాటిని శ్రేణుల్లో అమర్చడం సాధ్యమైంది. ఈ పరిణామాలకు ముందు, ఒకే క్వాంటం వ్యవస్థలపై ఖచ్చితమైన నియంత్రణ సాధ్యం కాదు, మరియు ప్రయోగాలు పెద్ద సంఖ్యలో క్వాంటం సిస్టమ్లపై కఠినమైన, ఏకకాల నియంత్రణను ఉపయోగించాయి. ఆచరణీయ సింగిల్-స్టేట్ మానిప్యులేషన్ టెక్నిక్ల అభివృద్ధి క్వాంటం సమాచారం మరియు గణన రంగంలో ఆసక్తిని పెంచడానికి దారితీసింది.
1980వ దశకంలో, ఐన్స్టీన్ సాపేక్షత సిద్ధాంతాన్ని తిరస్కరించడానికి క్వాంటం ప్రభావాలను ఉపయోగించడం సాధ్యమేనా అనే ఆసక్తి ఏర్పడింది. తెలియని క్వాంటం స్థితిని క్లోన్ చేయడం సాధ్యమైతే, ఐన్స్టీన్ సిద్ధాంతాన్ని ఖండిస్తూ కాంతి వేగం కంటే వేగంగా సమాచారాన్ని ప్రసారం చేయడానికి చిక్కుబడ్డ క్వాంటం స్థితులను ఉపయోగించడం సాధ్యమవుతుంది. అయితే, నో-క్లోనింగ్ సిద్ధాంతం అటువంటి క్లోనింగ్ అసాధ్యం అని చూపించింది. క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ యొక్క తొలి ఫలితాలలో సిద్ధాంతం ఒకటి.
క్రిప్టోగ్రఫీ నుండి అభివృద్ధి
వివిక్త క్వాంటం వ్యవస్థలను అధ్యయనం చేయడం మరియు సాపేక్షత సిద్ధాంతాన్ని అధిగమించడానికి ఒక మార్గాన్ని కనుగొనడంపై అన్ని ఉత్సాహం మరియు ఆసక్తి ఉన్నప్పటికీ, 1980 లలో క్వాంటం సమాచార సిద్ధాంతంలో పరిశోధన నిలిచిపోయింది. అయితే, అదే సమయంలో మరొక మార్గం క్వాంటం సమాచారం మరియు గణనలోకి ప్రవేశించడం ప్రారంభించింది: క్రిప్టోగ్రఫీ. సాధారణ అర్థంలో, క్రిప్టోగ్రఫీ అనేది ఒకరినొకరు విశ్వసించని ఇద్దరు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ మంది వ్యక్తులతో కమ్యూనికేషన్ లేదా గణన చేయడంలో సమస్య.
బెన్నెట్ మరియు బ్రాస్సార్డ్ ఒక కమ్యూనికేషన్ ఛానెల్ని అభివృద్ధి చేశారు, దీని ద్వారా గుర్తించబడకుండా అసాధ్యమైన రహస్యంగా కమ్యూనికేట్ చేయడం అసాధ్యం, ఇది BB84 క్వాంటం క్రిప్టోగ్రాఫిక్ ప్రోటోకాల్ను ఉపయోగించి చాలా దూరం వరకు రహస్యంగా కమ్యూనికేట్ చేసే మార్గం. పరిశీలనకు భంగం కలిగించే క్వాంటం మెకానిక్స్ యొక్క ప్రాథమిక సూత్రాన్ని ఉపయోగించడం ముఖ్య ఆలోచన, మరియు సురక్షితమైన కమ్యూనికేషన్ లైన్లో ఈవ్డ్రాపర్ను ప్రవేశపెట్టడం వలన కమ్యూనికేట్ చేయడానికి ప్రయత్నిస్తున్న రెండు పార్టీలు ఈవ్డ్రాపర్ ఉనికిని వెంటనే తెలుసుకునేలా చేస్తుంది.
కంప్యూటర్ సైన్స్ మరియు గణితం నుండి అభివృద్ధి
అలాన్ ట్యూరింగ్ యొక్క ప్రోగ్రామబుల్ కంప్యూటర్ లేదా ట్యూరింగ్ మెషిన్ యొక్క విప్లవాత్మక ఆలోచనల ఆగమనంతో, అతను ఏదైనా వాస్తవ-ప్రపంచ గణనను ట్యూరింగ్ మెషీన్తో కూడిన సమానమైన గణనలోకి అనువదించవచ్చని చూపించాడు. దీనిని చర్చ్-ట్యూరింగ్ థీసిస్ అంటారు.
త్వరలోనే, మొదటి కంప్యూటర్లు తయారు చేయబడ్డాయి మరియు కంప్యూటర్ హార్డ్వేర్ చాలా వేగంగా అభివృద్ధి చెందింది, ఉత్పత్తిలో అనుభవం ద్వారా వృద్ధిని మూర్ యొక్క చట్టం అని పిలిచే అనుభావిక సంబంధంగా క్రోడీకరించబడింది. ఈ 'చట్టం' అనేది ప్రతి రెండు సంవత్సరాలకు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లోని ట్రాన్సిస్టర్ల సంఖ్య రెట్టింపు అవుతుందని చెప్పే ప్రొజెక్టివ్ ట్రెండ్. ప్రతి ఉపరితల వైశాల్యానికి ఎక్కువ శక్తిని ప్యాక్ చేయడానికి ట్రాన్సిస్టర్లు చిన్నవిగా మరియు చిన్నవిగా మారడం ప్రారంభించడంతో, ఎలక్ట్రానిక్స్లో క్వాంటం ప్రభావాలు కనిపించడం ప్రారంభించాయి, ఫలితంగా అనుకోని జోక్యం ఏర్పడుతుంది. ఇది క్వాంటం కంప్యూటింగ్ యొక్క ఆగమనానికి దారితీసింది, ఇది అల్గారిథమ్లను రూపొందించడానికి క్వాంటం మెకానిక్స్ను ఉపయోగించింది.
ఈ సమయంలో, క్వాంటం కంప్యూటర్లు కొన్ని నిర్దిష్ట సమస్యల కోసం క్లాసికల్ కంప్యూటర్ల కంటే చాలా వేగంగా పనిచేస్తాయని వాగ్దానం చేసింది. అలాంటి ఒక ఉదాహరణ సమస్యను డేవిడ్ డ్యూచ్ మరియు రిచర్డ్ జోజ్సా అభివృద్ధి చేశారు, దీనిని డ్యూచ్-జోజ్సా అల్గోరిథం అంటారు. అయితే ఈ సమస్య ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలకు తక్కువగా ఉంది. పీటర్ షోర్ 1994లో చాలా ముఖ్యమైన మరియు ఆచరణాత్మక సమస్యతో ముందుకు వచ్చాడు, ఇది పూర్ణాంకం యొక్క ప్రధాన కారకాలను కనుగొనడంలో ఒకటి. వివిక్త లాగరిథమ్ సమస్యను క్వాంటం కంప్యూటర్లో సమర్ధవంతంగా పరిష్కరించవచ్చు కానీ క్లాసికల్ కంప్యూటర్లో కాదు కాబట్టి ట్యూరింగ్ మెషీన్ల కంటే క్వాంటం కంప్యూటర్లు శక్తివంతమైనవని చూపిస్తుంది.
సమాచార సిద్ధాంతం నుండి అభివృద్ధి
దాదాపుగా కంప్యూటర్ సైన్స్ విప్లవాన్ని సృష్టిస్తోంది, క్లాడ్ షానన్ ద్వారా సమాచార సిద్ధాంతం మరియు కమ్యూనికేషన్ కూడా ఒక విప్లవాన్ని సృష్టిస్తోంది. షానన్ సమాచార సిద్ధాంతం యొక్క రెండు ప్రాథమిక సిద్ధాంతాలను అభివృద్ధి చేశాడు: శబ్దం లేని ఛానెల్ కోడింగ్ సిద్ధాంతం మరియు ధ్వనించే ఛానల్ కోడింగ్ సిద్ధాంతం. పంపబడే సమాచారాన్ని రక్షించడానికి ఎర్రర్ కరెక్టింగ్ కోడ్లను ఉపయోగించవచ్చని కూడా అతను చూపించాడు.
క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ కూడా ఇదే పథాన్ని అనుసరించింది, 1995లో బెన్ షూమేకర్ క్విట్ని ఉపయోగించి షానన్ యొక్క నాయిస్లెస్ కోడింగ్ సిద్ధాంతానికి ఒక అనలాగ్ను రూపొందించాడు. లోపం-దిద్దుబాటు యొక్క సిద్ధాంతం కూడా అభివృద్ధి చేయబడింది, ఇది క్వాంటం కంప్యూటర్లు శబ్దంతో సంబంధం లేకుండా సమర్థవంతమైన గణనలను చేయడానికి మరియు ధ్వనించే క్వాంటం ఛానెల్లపై నమ్మకమైన కమ్యూనికేషన్ను చేయడానికి అనుమతిస్తుంది.
క్విట్లు మరియు సమాచార సిద్ధాంతం
క్వాంటం సమాచారం అనేక అద్భుతమైన మరియు తెలియని మార్గాల్లో బిట్ ద్వారా సంగ్రహించబడిన శాస్త్రీయ సమాచారం నుండి చాలా భిన్నంగా ఉంటుంది. శాస్త్రీయ సమాచారం యొక్క ప్రాథమిక యూనిట్ బిట్ అయితే, క్వాంటం సమాచారం యొక్క ప్రాథమిక యూనిట్ క్విట్. క్లాసికల్ సమాచారం షానన్ ఎంట్రోపీని ఉపయోగించి కొలుస్తారు, అయితే క్వాంటం మెకానికల్ అనలాగ్ వాన్ న్యూమాన్ ఎంట్రోపీ. క్వాంటం మెకానికల్ సిస్టమ్స్ యొక్క గణాంక సమిష్టి సాంద్రత మాతృక ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది. క్లాసికల్ ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీలోని అనేక ఎంట్రోపీ కొలతలు హోలెవో ఎంట్రోపీ మరియు షరతులతో కూడిన క్వాంటం ఎంట్రోపీ వంటి క్వాంటం కేస్కు కూడా సాధారణీకరించబడతాయి.
క్లాసికల్ డిజిటల్ స్టేట్ల వలె కాకుండా (వివిక్తమైనవి), ఒక క్విట్ నిరంతర-విలువను కలిగి ఉంటుంది, ఇది బ్లాచ్ గోళంపై ఒక దిశ ద్వారా వివరించబడుతుంది. ఈ విధంగా నిరంతరంగా విలువైనదిగా పరిగణించబడుతున్నప్పటికీ, క్విట్ అనేది క్వాంటం సమాచారం యొక్క అతి చిన్న యూనిట్, మరియు క్విట్ స్థితి నిరంతర-విలువతో ఉన్నప్పటికీ, విలువను ఖచ్చితంగా కొలవడం అసాధ్యం. ఐదు ప్రసిద్ధ సిద్ధాంతాలు క్వాంటం సమాచారం యొక్క తారుమారుపై పరిమితులను వివరిస్తాయి:
- నో-టెలిపోర్టేషన్ సిద్ధాంతం, ఇది క్విట్ను (పూర్తిగా) క్లాసికల్ బిట్లుగా మార్చడం సాధ్యం కాదని పేర్కొంది; అంటే, ఇది పూర్తిగా "చదవడానికి" సాధ్యం కాదు,
- నో-క్లోనింగ్ సిద్ధాంతం, ఇది ఏకపక్ష క్విట్ను కాపీ చేయకుండా నిరోధిస్తుంది,
- నో-డిలీటింగ్ సిద్ధాంతం, ఇది ఏకపక్ష క్విట్ను తొలగించకుండా నిరోధిస్తుంది,
- నో-బ్రాడ్కాస్టింగ్ సిద్ధాంతం, ఇది ఏకపక్ష క్విట్ను బహుళ గ్రహీతలకు పంపిణీ చేయకుండా నిరోధిస్తుంది, అయినప్పటికీ దీనిని స్థలం నుండి మరొక ప్రదేశానికి రవాణా చేయవచ్చు (ఉదా. క్వాంటం టెలిపోర్టేషన్ ద్వారా),
- నో-హైడింగ్ సిద్ధాంతం, ఇది క్వాంటం సమాచారం యొక్క పరిరక్షణను ప్రదర్శిస్తుంది, ఈ సిద్ధాంతాలు విశ్వంలోని క్వాంటం సమాచారం భద్రపరచబడిందని మరియు క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్లో ప్రత్యేకమైన అవకాశాలను తెరుస్తాయి.
క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ప్రాసెసింగ్
క్విట్ యొక్క స్థితి దాని మొత్తం సమాచారాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ఈ స్థితి తరచుగా బ్లాచ్ గోళంలో వెక్టర్గా వ్యక్తీకరించబడుతుంది. ఈ స్థితిని వాటికి సరళ పరివర్తనలు లేదా క్వాంటం గేట్లను వర్తింపజేయడం ద్వారా మార్చవచ్చు. ఈ ఏకీకృత పరివర్తనలు బ్లోచ్ స్పియర్పై భ్రమణాలుగా వర్ణించబడ్డాయి. క్లాసికల్ గేట్లు బూలియన్ లాజిక్ యొక్క సుపరిచిత కార్యకలాపాలకు అనుగుణంగా ఉండగా, క్వాంటం గేట్లు భౌతిక ఏకీకృత ఆపరేటర్లు.
క్వాంటం సిస్టమ్స్ యొక్క అస్థిరత మరియు స్థితులను కాపీ చేయడం అసంభవం కారణంగా, క్లాసికల్ సమాచారాన్ని నిల్వ చేయడం కంటే క్వాంటం సమాచారాన్ని నిల్వ చేయడం చాలా కష్టం. అయినప్పటికీ, క్వాంటం లోపం దిద్దుబాటు ఉపయోగంతో క్వాంటం సమాచారం ఇప్పటికీ విశ్వసనీయంగా సూత్రప్రాయంగా నిల్వ చేయబడుతుంది. క్వాంటం లోపం సరిచేసే కోడ్ల ఉనికి కూడా తప్పు-తట్టుకునే క్వాంటం గణన యొక్క అవకాశంకి దారితీసింది.
క్లాసికల్ బిట్లను క్వాంటం గేట్లను ఉపయోగించడం ద్వారా క్విట్ల కాన్ఫిగరేషన్లలోకి ఎన్కోడ్ చేయవచ్చు మరియు తర్వాత తిరిగి పొందవచ్చు. స్వతహాగా, ఒక క్విట్ దాని తయారీ గురించి యాక్సెస్ చేయగల శాస్త్రీయ సమాచారాన్ని ఒకటి కంటే ఎక్కువ అందించదు. ఇది హోలెవో సిద్ధాంతం. ఏది ఏమైనప్పటికీ, సూపర్డెన్స్ కోడింగ్లో, పంపినవారు రెండు చిక్కుకున్న క్విట్లలో ఒకదానిపై పని చేయడం ద్వారా, వారి ఉమ్మడి స్థితికి సంబంధించిన రెండు బిట్ల ప్రాప్యత సమాచారాన్ని రిసీవర్కు తెలియజేయవచ్చు.
క్వాంటం సమాచారాన్ని ఒక క్వాంటం ఛానెల్లో, క్లాసికల్ కమ్యూనికేషన్ ఛానెల్ భావనకు సారూప్యంగా తరలించవచ్చు. క్వాంటం సందేశాలు పరిమిత పరిమాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి, వీటిని క్విట్లలో కొలుస్తారు; క్వాంటం ఛానెల్లు పరిమిత ఛానెల్ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి, సెకనుకు క్విట్లలో కొలుస్తారు.
వాన్ న్యూమాన్ ఎంట్రోపీ అని పిలువబడే షానన్ ఎంట్రోపీ యొక్క అనలాగ్ని ఉపయోగించడం ద్వారా క్వాంటం సమాచారం మరియు క్వాంటం సమాచారంలో మార్పులను పరిమాణాత్మకంగా కొలవవచ్చు.
కొన్ని సందర్భాల్లో క్వాంటం అల్గారిథమ్లు ఏదైనా తెలిసిన క్లాసికల్ అల్గోరిథం కంటే వేగంగా గణనలను నిర్వహించడానికి ఉపయోగించవచ్చు. సబ్-ఎక్స్పోనెన్షియల్ సమయాన్ని తీసుకునే అత్యుత్తమ క్లాసికల్ అల్గారిథమ్లతో పోల్చితే, బహుపది సమయంలో సంఖ్యలను కారకం చేయగల షోర్ యొక్క అల్గోరిథం దీనికి అత్యంత ప్రసిద్ధ ఉదాహరణ. RSA ఎన్క్రిప్షన్ భద్రతలో ఫ్యాక్టరైజేషన్ ఒక ముఖ్యమైన భాగం కాబట్టి, షోర్ యొక్క అల్గోరిథం క్వాంటం కంప్యూటర్లు ప్లేలో ఉన్నప్పటికీ సురక్షితంగా ఉండే ఎన్క్రిప్షన్ స్కీమ్లను కనుగొనడానికి ప్రయత్నించే పోస్ట్-క్వాంటం క్రిప్టోగ్రఫీ యొక్క కొత్త ఫీల్డ్ను ప్రేరేపించింది. క్వాంటం ఆధిపత్యాన్ని ప్రదర్శించే అల్గారిథమ్ల యొక్క ఇతర ఉదాహరణలు గ్రోవర్ యొక్క శోధన అల్గారిథమ్ను కలిగి ఉంటాయి, ఇక్కడ క్వాంటం అల్గోరిథం ఉత్తమమైన క్లాసికల్ అల్గారిథమ్పై క్వాడ్రాటిక్ స్పీడ్-అప్ ఇస్తుంది. క్వాంటం కంప్యూటర్ ద్వారా సమర్ధవంతంగా పరిష్కరించగల సమస్యల సంక్లిష్టత తరగతిని BQP అంటారు.
క్వాంటం కీ డిస్ట్రిబ్యూషన్ (QKD) క్లాసికల్ ఎన్క్రిప్షన్లా కాకుండా క్లాసికల్ సమాచారం యొక్క బేషరతుగా సురక్షితమైన ప్రసారాన్ని అనుమతిస్తుంది, ఇది ఆచరణలో కాకపోయినా ఎల్లప్పుడూ సూత్రప్రాయంగా విచ్ఛిన్నమవుతుంది. QKD భద్రతకు సంబంధించి కొన్ని సూక్ష్మ అంశాలు ఇప్పటికీ చర్చనీయాంశంగా ఉన్నాయని గమనించండి.
పైన పేర్కొన్న అన్ని అంశాలు మరియు వ్యత్యాసాల అధ్యయనం క్వాంటం సమాచార సిద్ధాంతాన్ని కలిగి ఉంటుంది.
క్వాంటం మెకానిక్స్తో సంబంధం
క్వాంటం మెకానిక్స్ అనేది సూక్ష్మ భౌతిక వ్యవస్థలు ప్రకృతిలో డైనమిక్గా ఎలా మారతాయో అధ్యయనం చేస్తుంది. క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ రంగంలో, అధ్యయనం చేయబడిన క్వాంటం వ్యవస్థలు ఏదైనా వాస్తవ ప్రపంచ ప్రతిరూపానికి దూరంగా ఉంటాయి. ఉదాహరణకు ఒక క్విట్ భౌతికంగా లీనియర్ ఆప్టికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్లోని ఫోటాన్ కావచ్చు, చిక్కుకున్న అయాన్ క్వాంటం కంప్యూటర్లోని అయాన్ కావచ్చు లేదా ఇది సూపర్ కండక్టింగ్ క్వాంటం కంప్యూటర్లో వలె అణువుల పెద్ద సేకరణ కావచ్చు. భౌతిక అమలుతో సంబంధం లేకుండా, క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ ద్వారా సూచించబడిన క్విట్ల పరిమితులు మరియు లక్షణాలు ఈ వ్యవస్థలన్నీ గణితశాస్త్రపరంగా సంక్లిష్ట సంఖ్యలపై సాంద్రత మాత్రికల యొక్క ఒకే ఉపకరణం ద్వారా వివరించబడ్డాయి. క్వాంటం మెకానిక్స్తో మరొక ముఖ్యమైన వ్యత్యాసం ఏమిటంటే, క్వాంటం మెకానిక్స్ తరచుగా హార్మోనిక్ ఓసిలేటర్ వంటి అనంత-డైమెన్షనల్ సిస్టమ్లను అధ్యయనం చేస్తుంది, క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ నిరంతర-వేరియబుల్ సిస్టమ్లు మరియు పరిమిత-డైమెన్షనల్ సిస్టమ్లకు సంబంధించినది.
క్వాంటం గణన
క్వాంటం కంప్యూటింగ్ అనేది ఒక రకమైన గణన, ఇది గణనలను నిర్వహించడానికి సూపర్పొజిషన్, ఇంటర్ఫరెన్స్ మరియు ఎంటాంగిల్మెంట్ వంటి క్వాంటం స్టేట్ల యొక్క సామూహిక లక్షణాలను ఉపయోగిస్తుంది. క్వాంటం గణనలను నిర్వహించే పరికరాలను క్వాంటం కంప్యూటర్లు అంటారు.: I-5 ప్రస్తుత క్వాంటం కంప్యూటర్లు ఆచరణాత్మక అనువర్తనాల కోసం సాధారణ (క్లాసికల్) కంప్యూటర్లను అధిగమించలేనంత చిన్నవి అయినప్పటికీ, అవి పూర్ణాంక కారకం వంటి నిర్దిష్ట గణన సమస్యలను పరిష్కరించగలవని నమ్ముతారు. (ఇది RSA ఎన్క్రిప్షన్ను సూచిస్తుంది), క్లాసికల్ కంప్యూటర్ల కంటే గణనీయంగా వేగవంతమైనది. క్వాంటం కంప్యూటింగ్ అధ్యయనం క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ సైన్స్ యొక్క ఉపవిభాగం.
1980లో భౌతిక శాస్త్రవేత్త పాల్ బెనియోఫ్ ట్యూరింగ్ యంత్రం యొక్క క్వాంటం మెకానికల్ నమూనాను ప్రతిపాదించినప్పుడు క్వాంటం కంప్యూటింగ్ ప్రారంభమైంది. రిచర్డ్ ఫేన్మాన్ మరియు యూరి మానిన్ తర్వాత ఒక క్వాంటం కంప్యూటర్కు క్లాసికల్ కంప్యూటర్ చేయలేని పనులను అనుకరించే సామర్థ్యం ఉందని సూచించారు. 1994లో, పీటర్ షోర్ RSA-ఎన్క్రిప్టెడ్ కమ్యూనికేషన్లను డీక్రిప్ట్ చేయగల సామర్థ్యంతో పూర్ణాంకాల కారకాల కోసం క్వాంటం అల్గారిథమ్ను అభివృద్ధి చేశాడు. 1998లో ఐజాక్ చువాంగ్, నీల్ గెర్షెన్ఫెల్డ్ మరియు మార్క్ కుబినెక్ గణనలను నిర్వహించగల మొదటి రెండు-క్విట్ క్వాంటం కంప్యూటర్ను సృష్టించారు. 1990ల చివరి నుండి కొనసాగుతున్న ప్రయోగాత్మక పురోగతి ఉన్నప్పటికీ, చాలా మంది పరిశోధకులు "తప్పు-తట్టుకునే క్వాంటం కంప్యూటింగ్ [ఇప్పటికీ] చాలా సుదూర కల" అని నమ్ముతారు. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, ప్రభుత్వ మరియు ప్రైవేట్ రంగాలలో క్వాంటం కంప్యూటింగ్ పరిశోధనలో పెట్టుబడి పెరిగింది. 23 అక్టోబర్ 2019న, Google AI, US నేషనల్ ఏరోనాటిక్స్ అండ్ స్పేస్ అడ్మినిస్ట్రేషన్ (NASA) భాగస్వామ్యంతో ఏదైనా క్లాసికల్ కంప్యూటర్లో సాధ్యం కాని క్వాంటం గణనను నిర్వహించినట్లు పేర్కొంది, అయితే ఈ దావా చెల్లుబాటు అయ్యేదా లేదా అనేది ఒక అంశం. క్రియాశీల పరిశోధన.
క్వాంటం సర్క్యూట్ మోడల్, క్వాంటం ట్యూరింగ్ మెషిన్, అడియాబాటిక్ క్వాంటం కంప్యూటర్, వన్-వే క్వాంటం కంప్యూటర్ మరియు వివిధ క్వాంటం సెల్యులార్ ఆటోమేటా వంటి అనేక రకాల క్వాంటం కంప్యూటర్లు (క్వాంటం కంప్యూటింగ్ సిస్టమ్స్ అని కూడా పిలుస్తారు) ఉన్నాయి. అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే మోడల్ క్వాంటం సర్క్యూట్, క్వాంటం బిట్ లేదా "క్విట్" ఆధారంగా ఉంటుంది, ఇది క్లాసికల్ కంప్యూటేషన్లో బిట్కి కొంత సారూప్యంగా ఉంటుంది. ఒక క్విట్ 1 లేదా 0 క్వాంటం స్థితిలో లేదా 1 మరియు 0 రాష్ట్రాల సూపర్పొజిషన్లో ఉండవచ్చు. ఇది కొలిచినప్పుడు, అయితే, ఇది ఎల్లప్పుడూ 0 లేదా 1; ఫలితం యొక్క సంభావ్యత కొలతకు ముందు క్విట్ యొక్క క్వాంటం స్థితిపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
ట్రాన్స్మోన్లు, అయాన్ ట్రాప్లు మరియు టోపోలాజికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్లు వంటి సాంకేతికతలపై దృష్టి కేంద్రీకరించడం ద్వారా ఫిజికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్ను రూపొందించే దిశగా ప్రయత్నాలు, ఇవి అధిక-నాణ్యత క్విట్లను రూపొందించడం లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నాయి.: 2–13 ఈ క్విట్లు పూర్తి క్వాంటం కంప్యూటర్ యొక్క కంప్యూటింగ్ మోడల్పై ఆధారపడి విభిన్నంగా రూపొందించబడవచ్చు. క్వాంటం లాజిక్ గేట్స్, క్వాంటం ఎనియలింగ్ లేదా అడియాబాటిక్ క్వాంటం కంప్యూటేషన్. ఉపయోగకరమైన క్వాంటం కంప్యూటర్లను నిర్మించడానికి ప్రస్తుతం అనేక ముఖ్యమైన అడ్డంకులు ఉన్నాయి. క్విట్ల క్వాంటం స్థితులను నిర్వహించడం చాలా కష్టం, ఎందుకంటే అవి క్వాంటం డీకోహెరెన్స్ మరియు స్టేట్ ఫిడిలిటీతో బాధపడుతున్నాయి. క్వాంటం కంప్యూటర్లకు దోష సవరణ అవసరం.
క్లాసికల్ కంప్యూటర్ ద్వారా పరిష్కరించబడే ఏదైనా గణన సమస్య క్వాంటం కంప్యూటర్ ద్వారా కూడా పరిష్కరించబడుతుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, క్వాంటం కంప్యూటర్ ద్వారా పరిష్కరించబడే ఏదైనా సమస్యను క్లాసికల్ కంప్యూటర్ ద్వారా కూడా పరిష్కరించవచ్చు, కనీసం సూత్రప్రాయంగా తగినంత సమయం ఇవ్వబడుతుంది. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, క్వాంటం కంప్యూటర్లు చర్చ్-ట్యూరింగ్ థీసిస్కు కట్టుబడి ఉంటాయి. దీనర్థం క్వాంటం కంప్యూటర్లు కంప్యూటబిలిటీ పరంగా క్లాసికల్ కంప్యూటర్లపై అదనపు ప్రయోజనాలను అందించనప్పటికీ, కొన్ని సమస్యల కోసం క్వాంటం అల్గారిథమ్లు సంబంధిత తెలిసిన క్లాసికల్ అల్గారిథమ్ల కంటే తక్కువ సమయ సంక్లిష్టతలను కలిగి ఉంటాయి. ముఖ్యంగా, క్వాంటం కంప్యూటర్లు ఏ క్లాసికల్ కంప్యూటర్ అయినా పరిష్కరించలేని కొన్ని సమస్యలను త్వరగా పరిష్కరించగలవని నమ్ముతారు-ఈ ఘనతను "క్వాంటం ఆధిపత్యం" అని పిలుస్తారు. క్వాంటం కంప్యూటర్లకు సంబంధించి సమస్యల గణన సంక్లిష్టత అధ్యయనాన్ని క్వాంటం సంక్లిష్టత సిద్ధాంతం అంటారు.
క్వాంటం గణన యొక్క ప్రస్తుత నమూనా క్వాంటం లాజిక్ గేట్ల నెట్వర్క్ పరంగా గణనను వివరిస్తుంది. ఈ నమూనాను క్లాసికల్ సర్క్యూట్ యొక్క నైరూప్య సరళ-బీజగణిత సాధారణీకరణగా భావించవచ్చు. ఈ సర్క్యూట్ మోడల్ క్వాంటం మెకానిక్స్ను పాటిస్తుంది కాబట్టి, ఈ సర్క్యూట్లను సమర్ధవంతంగా అమలు చేయగల క్వాంటం కంప్యూటర్ భౌతికంగా గ్రహించగలదని నమ్ముతారు.
n బిట్స్ సమాచారంతో కూడిన మెమరీ 2^n సాధ్యమయ్యే స్థితులను కలిగి ఉంటుంది. అన్ని మెమరీ స్థితులను సూచించే వెక్టర్ 2^n ఎంట్రీలను కలిగి ఉంటుంది (ప్రతి స్థితికి ఒకటి). ఈ వెక్టర్ సంభావ్యత వెక్టర్గా పరిగణించబడుతుంది మరియు మెమరీని నిర్దిష్ట స్థితిలో కనుగొనాలనే వాస్తవాన్ని సూచిస్తుంది.
శాస్త్రీయ దృష్టిలో, ఒక ఎంట్రీకి 1 విలువ ఉంటుంది (అంటే ఈ స్థితిలో ఉండటానికి 100% సంభావ్యత) మరియు అన్ని ఇతర ఎంట్రీలు సున్నాగా ఉంటాయి.
క్వాంటం మెకానిక్స్లో, సంభావ్యత వెక్టర్లను డెన్సిటీ ఆపరేటర్లకు సాధారణీకరించవచ్చు. క్వాంటం స్టేట్ వెక్టర్ ఫార్మలిజం సాధారణంగా మొదట పరిచయం చేయబడుతుంది ఎందుకంటే ఇది సంభావితంగా సరళమైనది మరియు మొత్తం క్వాంటం వ్యవస్థ తెలిసిన స్వచ్ఛమైన స్థితుల కోసం సాంద్రత మాతృక ఫార్మలిజానికి బదులుగా దీనిని ఉపయోగించవచ్చు.
క్వాంటం గణనను క్వాంటం లాజిక్ గేట్లు మరియు కొలతల నెట్వర్క్గా వర్ణించవచ్చు. ఏదేమైనా, ఏదైనా కొలత క్వాంటం గణన ముగింపు వరకు వాయిదా వేయబడుతుంది, అయితే ఈ వాయిదా గణన ఖర్చుతో రావచ్చు, కాబట్టి చాలా క్వాంటం సర్క్యూట్లు క్వాంటం లాజిక్ గేట్లను మాత్రమే కలిగి ఉండే నెట్వర్క్ను వర్ణిస్తాయి మరియు కొలతలు లేవు.
ఏదైనా క్వాంటం కంప్యూటేషన్ (అంటే, పై ఫార్మలిజంలో, n క్విట్లపై ఏదైనా యూనిటరీ మ్యాట్రిక్స్) చాలా చిన్న గేట్ల కుటుంబం నుండి క్వాంటం లాజిక్ గేట్ల నెట్వర్క్గా సూచించబడుతుంది. ఈ నిర్మాణాన్ని ఎనేబుల్ చేసే గేట్ ఫ్యామిలీ ఎంపికను యూనివర్సల్ గేట్ సెట్ అంటారు, ఎందుకంటే అలాంటి సర్క్యూట్లను అమలు చేయగల కంప్యూటర్ యూనివర్సల్ క్వాంటం కంప్యూటర్. అటువంటి ఒక సాధారణ సెట్లో అన్ని సింగిల్-క్విట్ గేట్లు అలాగే పై నుండి CNOT గేట్ ఉంటాయి. దీని అర్థం CNOT గేట్లతో కలిపి సింగిల్-క్విట్ గేట్ల క్రమాన్ని అమలు చేయడం ద్వారా ఏదైనా క్వాంటం గణనను నిర్వహించవచ్చు. ఈ గేట్ సెట్ అనంతమైనప్పటికీ, సోలోవే-కిటేవ్ సిద్ధాంతానికి అప్పీల్ చేయడం ద్వారా దీనిని పరిమిత గేట్ సెట్తో భర్తీ చేయవచ్చు.
క్వాంటం అల్గోరిథంలు
క్వాంటం అల్గారిథమ్లను కనుగొనడంలో పురోగతి సాధారణంగా ఈ క్వాంటం సర్క్యూట్ మోడల్పై దృష్టి పెడుతుంది, అయితే క్వాంటం అడియాబాటిక్ అల్గోరిథం వంటి మినహాయింపులు ఉన్నాయి. క్వాంటం అల్గారిథమ్లను సంబంధిత క్లాసికల్ అల్గారిథమ్ల కంటే సాధించిన స్పీడప్ రకం ద్వారా సుమారుగా వర్గీకరించవచ్చు.
బాగా తెలిసిన క్లాసికల్ అల్గారిథమ్పై బహుపది స్పీడప్ కంటే ఎక్కువ అందించే క్వాంటం అల్గారిథమ్లు ఫ్యాక్టరింగ్ కోసం షోర్ యొక్క అల్గోరిథం మరియు వివిక్త లాగరిథమ్లను కంప్యూటింగ్ చేయడానికి సంబంధిత క్వాంటం అల్గారిథమ్లు, పెల్ యొక్క సమీకరణాన్ని పరిష్కరించడం మరియు సాధారణంగా దాచిన సబ్గ్రూప్ ఫైనైట్ సమస్యను పరిష్కరించడం. ఈ అల్గోరిథంలు క్వాంటం ఫోరియర్ పరివర్తన యొక్క ఆదిమతపై ఆధారపడి ఉంటాయి. సైమన్ సమస్య మరియు బెర్న్స్టెయిన్-వజిరానీ సమస్య వంటి కొన్ని ఒరాకిల్ సమస్యలు నిరూపించదగిన వేగాన్ని ఇస్తాయి, అయినప్పటికీ ఇది అసంభవంగా పరిగణించబడినప్పటికీ, సమానమైన వేగవంతమైన క్లాసికల్ అల్గోరిథం కనుగొనబడలేదని చూపే గణిత శాస్త్ర రుజువు కనుగొనబడలేదు. క్వాంటం క్వెరీ మోడల్లో ఉంది, ఇది పరిమితం చేయబడిన మోడల్, ఇక్కడ తక్కువ హద్దులు నిరూపించడం చాలా సులభం మరియు ఆచరణాత్మక సమస్యల కోసం స్పీడప్లకు అనువదించాల్సిన అవసరం లేదు.
కెమిస్ట్రీ మరియు సాలిడ్-స్టేట్ ఫిజిక్స్ నుండి క్వాంటం భౌతిక ప్రక్రియల అనుకరణ, కొన్ని జోన్స్ బహుపదిల ఉజ్జాయింపు మరియు సరళ సమీకరణాల కోసం క్వాంటం అల్గోరిథం వంటి ఇతర సమస్యలు సూపర్-పాలినోమియల్ స్పీడప్లను అందించడానికి క్వాంటం అల్గారిథమ్లను కలిగి ఉంటాయి మరియు B.QP-complete. ఈ సమస్యలు BQP-పూర్తి అయినందున, వాటికి సమానమైన వేగవంతమైన క్లాసికల్ అల్గోరిథం ఏ క్వాంటం అల్గోరిథం సూపర్-పాలినోమియల్ స్పీడప్ను ఇవ్వదని సూచిస్తుంది, ఇది అసంభవం అని నమ్ముతారు.
గ్రోవర్ యొక్క అల్గోరిథం మరియు యాంప్లిట్యూడ్ యాంప్లిఫికేషన్ వంటి కొన్ని క్వాంటం అల్గారిథమ్లు సంబంధిత క్లాసికల్ అల్గారిథమ్లపై బహుపది స్పీడప్లను అందిస్తాయి. ఈ అల్గారిథమ్లు పోల్చదగిన విధంగా నిరాడంబరమైన క్వాడ్రాటిక్ స్పీడప్ను అందించినప్పటికీ, అవి విస్తృతంగా వర్తిస్తాయి మరియు తద్వారా అనేక రకాల సమస్యలకు స్పీడప్లను అందిస్తాయి. క్వెరీ సమస్యల కోసం నిరూపించదగిన క్వాంటం స్పీడప్ల యొక్క అనేక ఉదాహరణలు గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్కు సంబంధించినవి, ఇందులో బ్రాస్సార్డ్, హోయర్ మరియు టూ-టు-వన్ ఫంక్షన్లలో ఘర్షణలను కనుగొనడం కోసం ట్యాప్ యొక్క అల్గోరిథం ఉన్నాయి, ఇది గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్ మరియు ఫర్హి, గోల్డ్స్టోన్ మరియు గుట్గోరిత్లమ్లు మరియు చెట్లు, ఇది శోధన సమస్య యొక్క రూపాంతరం.
క్రిప్టోగ్రాఫిక్ అప్లికేషన్లు
ప్రస్తుతం వాడుకలో ఉన్న క్రిప్టోగ్రాఫిక్ సిస్టమ్లపై దాడులకు సంబంధించి క్వాంటం కంప్యూటేషన్ యొక్క గుర్తించదగిన అప్లికేషన్. పబ్లిక్ కీ క్రిప్టోగ్రాఫిక్ సిస్టమ్ల భద్రతకు ఆధారమైన పూర్ణాంక కారకం, కొన్ని ప్రధాన సంఖ్యల (ఉదా, రెండు 300-అంకెల ప్రైమ్ల ఉత్పత్తులు) ఉత్పత్తి అయినట్లయితే, పెద్ద పూర్ణాంకాల కోసం సాధారణ కంప్యూటర్తో గణనపరంగా సాధ్యం కాదని నమ్ముతారు. పోల్చి చూస్తే, ఒక క్వాంటం కంప్యూటర్ దాని కారకాలను కనుగొనడానికి షోర్ యొక్క అల్గారిథమ్ని ఉపయోగించి ఈ సమస్యను సమర్ధవంతంగా పరిష్కరించగలదు. ఈ సామర్థ్యం ఈరోజు వాడుకలో ఉన్న అనేక క్రిప్టోగ్రాఫిక్ సిస్టమ్లను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి క్వాంటం కంప్యూటర్ని అనుమతిస్తుంది, సమస్యను పరిష్కరించడానికి బహుపది సమయం (పూర్ణాంకం యొక్క అంకెల సంఖ్యలో) అల్గోరిథం ఉంటుంది. ప్రత్యేకించి, జనాదరణ పొందిన పబ్లిక్ కీ సైఫర్లు చాలా వరకు ఫ్యాక్టరింగ్ పూర్ణాంకాల కష్టం లేదా వివిక్త లాగరిథమ్ సమస్యపై ఆధారపడి ఉంటాయి, ఈ రెండింటినీ షోర్ యొక్క అల్గారిథమ్ ద్వారా పరిష్కరించవచ్చు. ప్రత్యేకించి, RSA, Diffie–Hellman, మరియు దీర్ఘవృత్తాకార వక్రత Diffie–Hellman అల్గారిథమ్లు విచ్ఛిన్నం కావచ్చు. సురక్షిత వెబ్ పేజీలు, గుప్తీకరించిన ఇమెయిల్ మరియు అనేక ఇతర రకాల డేటాను రక్షించడానికి ఇవి ఉపయోగించబడతాయి. వీటిని ఉల్లంఘించడం ఎలక్ట్రానిక్ గోప్యత మరియు భద్రతకు ముఖ్యమైన శాఖలను కలిగి ఉంటుంది.
క్వాంటం అల్గారిథమ్లకు వ్యతిరేకంగా సురక్షితంగా ఉండే క్రిప్టోగ్రాఫిక్ సిస్టమ్లను గుర్తించడం అనేది పోస్ట్-క్వాంటం క్రిప్టోగ్రఫీ రంగంలో చురుకుగా పరిశోధించబడిన అంశం. కొన్ని పబ్లిక్-కీ అల్గారిథమ్లు పూర్ణాంకాల కారకం మరియు వివిక్త లాగరిథమ్ సమస్యలపై కాకుండా ఇతర సమస్యలపై ఆధారపడి ఉంటాయి, వీటికి షోర్ యొక్క అల్గోరిథం వర్తిస్తుంది, కోడింగ్ సిద్ధాంతంలో సమస్య ఆధారంగా McEliece క్రిప్టోసిస్టమ్ వంటిది. లాటిస్-ఆధారిత క్రిప్టోసిస్టమ్లు కూడా క్వాంటం కంప్యూటర్లచే విచ్ఛిన్నం చేయబడతాయని తెలియదు మరియు డైహెడ్రల్ హిడెన్ సబ్గ్రూప్ సమస్యను పరిష్కరించడానికి బహుపది సమయ అల్గారిథమ్ను కనుగొనడం, ఇది చాలా లాటిస్ ఆధారిత క్రిప్టోసిస్టమ్లను విచ్ఛిన్నం చేస్తుంది, ఇది బాగా అధ్యయనం చేయబడిన బహిరంగ సమస్య. బ్రూట్ ఫోర్స్ ద్వారా సిమెట్రిక్ (రహస్య కీ) అల్గారిథమ్ను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్ను వర్తింపజేయడానికి, క్లాసికల్ కేస్లో దాదాపు 2nతో పోల్చితే, అంతర్లీన క్రిప్టోగ్రాఫిక్ అల్గారిథమ్ యొక్క దాదాపు 2n/2 ఇన్వోకేషన్లకు సమానమైన సమయం అవసరమని నిరూపించబడింది, అంటే కీ పొడవు సౌష్టవం. ప్రభావవంతంగా సగానికి తగ్గించబడింది: AES-256 గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్ని ఉపయోగించి దాడికి వ్యతిరేకంగా అదే భద్రతను కలిగి ఉంటుంది, AES-128 క్లాసికల్ బ్రూట్-ఫోర్స్ శోధనకు వ్యతిరేకంగా ఉంటుంది (కీ పరిమాణం చూడండి).
క్వాంటం క్రిప్టోగ్రఫీ పబ్లిక్ కీ క్రిప్టోగ్రఫీ యొక్క కొన్ని విధులను సమర్థవంతంగా నెరవేర్చగలదు. క్వాంటం-ఆధారిత క్రిప్టోగ్రాఫిక్ సిస్టమ్స్, కాబట్టి, క్వాంటం హ్యాకింగ్కు వ్యతిరేకంగా సాంప్రదాయ వ్యవస్థల కంటే మరింత సురక్షితంగా ఉంటాయి.
శోధన సమస్యలు
పాలీనోమియల్ క్వాంటం స్పీడప్ను అంగీకరించే సమస్యకు అత్యంత ప్రసిద్ధ ఉదాహరణ నిర్మాణాత్మక శోధన, డేటాబేస్లోని n అంశాల జాబితా నుండి గుర్తించబడిన అంశాన్ని కనుగొనడం. గ్రోవర్ యొక్క అల్గోరిథం ద్వారా డేటాబేస్కు O(sqrt(n)) ప్రశ్నలను ఉపయోగించి దీనిని పరిష్కరించవచ్చు, ఇది క్లాసికల్ అల్గారిథమ్లకు అవసరమైన ఒమేగా(n) ప్రశ్నల కంటే చతుర్భుజంగా తక్కువగా ఉంటుంది. ఈ సందర్భంలో, ప్రయోజనం నిరూపించదగినది మాత్రమే కాకుండా సరైనది కూడా: గ్రోవర్ యొక్క అల్గోరిథం ఎన్ని ఒరాకిల్ లుకప్లకైనా కావలసిన మూలకాన్ని కనుగొనే గరిష్ట సంభావ్యతను ఇస్తుందని చూపబడింది.
గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్తో పరిష్కరించగల సమస్యలు క్రింది లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి:
- సాధ్యమైన సమాధానాల సేకరణలో శోధించదగిన నిర్మాణం లేదు,
- తనిఖీ చేయడానికి సాధ్యమయ్యే సమాధానాల సంఖ్య అల్గారిథమ్కి ఇన్పుట్ల సంఖ్యకు సమానంగా ఉంటుంది మరియు
- ప్రతి ఇన్పుట్ను మూల్యాంకనం చేసే బూలియన్ ఫంక్షన్ ఉంది మరియు ఇది సరైన సమాధానం కాదా అని నిర్ణయిస్తుంది
ఈ అన్ని లక్షణాలతో సమస్యల కోసం, క్వాంటం కంప్యూటర్లో గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్ యొక్క రన్నింగ్ టైమ్ క్లాసికల్ అల్గారిథమ్ల లీనియర్ స్కేలింగ్కు విరుద్ధంగా ఇన్పుట్ల సంఖ్య (లేదా డేటాబేస్లోని మూలకాలు) యొక్క వర్గమూలంగా స్కేల్ చేయబడుతుంది. గ్రోవర్ యొక్క అల్గారిథమ్ వర్తించే సమస్యల యొక్క సాధారణ తరగతి బూలియన్ సంతృప్తి సమస్య, ఇక్కడ ఆల్గారిథమ్ మళ్ళించే డేటాబేస్ అన్ని సాధ్యమైన సమాధానాలకు సంబంధించినది. దీనికి ఉదాహరణ మరియు (సాధ్యం) అప్లికేషన్ పాస్వర్డ్ క్రాకర్, ఇది పాస్వర్డ్ను ఊహించడానికి ప్రయత్నిస్తుంది. ట్రిపుల్ DES మరియు AES వంటి సిమెట్రిక్ సైఫర్లు ముఖ్యంగా ఈ రకమైన దాడికి గురవుతాయి.[citation needed] క్వాంటం కంప్యూటింగ్ యొక్క ఈ అప్లికేషన్ ప్రభుత్వ ఏజెన్సీల యొక్క ప్రధాన ఆసక్తి.
క్వాంటం వ్యవస్థల అనుకరణ
కెమిస్ట్రీ మరియు నానోటెక్నాలజీ క్వాంటం వ్యవస్థలను అర్థం చేసుకోవడంపై ఆధారపడి ఉంటాయి మరియు అటువంటి వ్యవస్థలు శాస్త్రీయంగా సమర్థవంతమైన పద్ధతిలో అనుకరించడం అసాధ్యం కాబట్టి, క్వాంటం కంప్యూటింగ్ యొక్క అత్యంత ముఖ్యమైన అనువర్తనాల్లో క్వాంటం అనుకరణ ఒకటిగా ఉంటుందని చాలా మంది నమ్ముతున్నారు. కొలైడర్ లోపల ప్రతిచర్యలు వంటి అసాధారణ పరిస్థితులలో అణువులు మరియు కణాల ప్రవర్తనను అనుకరించడానికి క్వాంటం అనుకరణను కూడా ఉపయోగించవచ్చు. డబుల్-స్లిట్ ప్రయోగంలో సూపర్పొజిషన్లో ఉన్న కణాలు మరియు ప్రోటాన్ల భవిష్యత్తు మార్గాలను అంచనా వేయడానికి క్వాంటం అనుకరణలను ఉపయోగించవచ్చు.[citation needed] వ్యవసాయంలో హేబర్ ప్రక్రియ కోసం అమ్మోనియాను ఉత్పత్తి చేయడానికి నత్రజని స్థిరీకరణ కోసం వార్షిక ప్రపంచ శక్తి ఉత్పత్తిలో దాదాపు 2% ఉపయోగించబడుతుంది. ఎరువుల పరిశ్రమ సహజంగా లభించే జీవులు అమ్మోనియాను కూడా ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఉత్పత్తిని పెంచే ఈ ప్రక్రియను అర్థం చేసుకోవడానికి క్వాంటం అనుకరణలను ఉపయోగించవచ్చు.
క్వాంటం ఎనియలింగ్ మరియు అడియాబాటిక్ ఆప్టిమైజేషన్
క్వాంటం ఎనియలింగ్ లేదా అడియాబాటిక్ క్వాంటం కంప్యూటేషన్ గణనలను చేపట్టేందుకు అడియాబాటిక్ సిద్ధాంతంపై ఆధారపడుతుంది. సాధారణ హామిల్టోనియన్ కోసం ఒక వ్యవస్థ గ్రౌండ్ స్టేట్లో ఉంచబడుతుంది, ఇది నెమ్మదిగా మరింత సంక్లిష్టమైన హామిల్టోనియన్గా పరిణామం చెందింది, దీని గ్రౌండ్ స్టేట్ ప్రశ్నలోని సమస్యకు పరిష్కారాన్ని సూచిస్తుంది. అడియాబాటిక్ సిద్ధాంతం ప్రకారం పరిణామం తగినంత నెమ్మదిగా ఉంటే, ప్రక్రియ ద్వారా వ్యవస్థ అన్ని సమయాల్లో దాని గ్రౌండ్ స్టేట్లో ఉంటుంది.
యంత్ర అభ్యాస
క్లాసికల్ కంప్యూటర్లు సమర్ధవంతంగా ఉత్పత్తి చేయలేని అవుట్పుట్లను క్వాంటం కంప్యూటర్లు ఉత్పత్తి చేయగలవు, మరియు క్వాంటం కంప్యూటేషన్ ప్రాథమికంగా సరళ బీజగణితం కాబట్టి, మెషిన్ లెర్నింగ్ పనులను వేగవంతం చేసే క్వాంటం అల్గారిథమ్లను అభివృద్ధి చేయడంలో కొందరు ఆశాభావం వ్యక్తం చేస్తున్నారు. ఉదాహరణకు, సమీకరణాల సరళ వ్యవస్థల కోసం క్వాంటం అల్గోరిథం లేదా "HHL అల్గారిథమ్", దాని కనుగొన్న హారో, హాసిడిమ్ మరియు లాయిడ్ పేరు మీద, శాస్త్రీయ ప్రత్యర్ధులపై వేగాన్ని అందజేస్తుందని నమ్ముతారు. బోల్ట్జ్మాన్ మెషీన్లు మరియు డీప్ న్యూరల్ నెట్వర్క్లకు శిక్షణ ఇవ్వడానికి క్వాంటం ఎనియలింగ్ హార్డ్వేర్ ఉపయోగాన్ని కొన్ని పరిశోధనా బృందాలు ఇటీవల అన్వేషించాయి.
కంప్యుటేషనల్ బయాలజీ
కంప్యూటేషనల్ బయాలజీ రంగంలో, క్వాంటం కంప్యూటింగ్ అనేక జీవసంబంధ సమస్యలను పరిష్కరించడంలో పెద్ద పాత్ర పోషించింది. ప్రసిద్ధ ఉదాహరణలలో ఒకటి గణన జన్యుశాస్త్రంలో మరియు మానవ జన్యువును క్రమం చేయడానికి కంప్యూటింగ్ సమయాన్ని ఎంతగా తగ్గించింది. గణన జీవశాస్త్రం సాధారణ డేటా మోడలింగ్ మరియు నిల్వను ఎలా ఉపయోగిస్తుందో, గణన జీవశాస్త్రానికి దాని అప్లికేషన్లు కూడా ఉత్పన్నమవుతాయని భావిస్తున్నారు.
కంప్యూటర్-ఎయిడెడ్ డ్రగ్ డిజైన్ మరియు జెనరేటివ్ కెమిస్ట్రీ
డీప్ జెనరేటివ్ కెమిస్ట్రీ మోడల్స్ డ్రగ్ డిస్కవరీని వేగవంతం చేయడానికి శక్తివంతమైన సాధనాలుగా ఉద్భవించాయి. అయినప్పటికీ, సాధ్యమయ్యే అన్ని ఔషధ-వంటి అణువుల యొక్క నిర్మాణ స్థలం యొక్క అపారమైన పరిమాణం మరియు సంక్లిష్టత గణనీయమైన అడ్డంకులను కలిగిస్తుంది, వీటిని భవిష్యత్తులో క్వాంటం కంప్యూటర్ల ద్వారా అధిగమించవచ్చు. క్వాంటం కంప్యూటర్లు సంక్లిష్టమైన క్వాంటం అనేక-శరీర సమస్యలను పరిష్కరించడానికి సహజంగా మంచివి మరియు అందువల్ల క్వాంటం కెమిస్ట్రీకి సంబంధించిన అనువర్తనాల్లో ఇది ఉపకరిస్తుంది. అందువల్ల, క్వాంటం GANలతో సహా క్వాంటం-మెరుగైన ఉత్పాదక నమూనాలు చివరికి అంతిమ ఉత్పాదక రసాయన శాస్త్ర అల్గారిథమ్లుగా అభివృద్ధి చేయబడతాయని ఆశించవచ్చు. క్వాంటం వేరియేషనల్ ఆటోఎన్కోడర్ల వంటి డీప్ క్లాసికల్ నెట్వర్క్లతో క్వాంటం కంప్యూటర్లను మిళితం చేసే హైబ్రిడ్ ఆర్కిటెక్చర్లు ఇప్పటికే వాణిజ్యపరంగా లభించే ఎనియలర్లపై శిక్షణ పొందాయి మరియు నవల డ్రగ్-వంటి పరమాణు నిర్మాణాలను రూపొందించడానికి ఉపయోగించబడతాయి.
భౌతిక క్వాంటం కంప్యూటర్లను అభివృద్ధి చేయడం
సవాళ్లు
భారీ స్థాయి క్వాంటం కంప్యూటర్ను రూపొందించడంలో అనేక సాంకేతిక సవాళ్లు ఉన్నాయి. భౌతిక శాస్త్రవేత్త డేవిడ్ డివిన్సెంజో ప్రాక్టికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్ కోసం ఈ అవసరాలను జాబితా చేశారు:
- క్విట్ల సంఖ్యను పెంచడానికి భౌతికంగా స్కేలబుల్,
- ఏకపక్ష విలువలకు ప్రారంభించగల క్విట్లు,
- డీకోహెరెన్స్ సమయం కంటే వేగంగా ఉండే క్వాంటం గేట్లు,
- యూనివర్సల్ గేట్ సెట్,
- సులభంగా చదవగలిగే క్విట్లు.
క్వాంటం కంప్యూటర్ల కోసం భాగాలను సోర్సింగ్ చేయడం కూడా చాలా కష్టం. అనేక క్వాంటం కంప్యూటర్లు, Google మరియు IBM చేత నిర్మించబడినవి, అణు పరిశోధన ఉప ఉత్పత్తి అయిన హీలియం-3 మరియు జపనీస్ కంపెనీ కోక్స్ కో మాత్రమే తయారు చేసిన ప్రత్యేక సూపర్ కండక్టింగ్ కేబుల్లు అవసరం.
బహుళ-క్విట్ సిస్టమ్ల నియంత్రణకు గట్టి మరియు నిర్ణయాత్మక సమయ స్పష్టతతో పెద్ద సంఖ్యలో ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్ల ఉత్పత్తి మరియు సమన్వయం అవసరం. ఇది క్విట్లతో ఇంటర్ఫేసింగ్ను ప్రారంభించే క్వాంటం కంట్రోలర్ల అభివృద్ధికి దారితీసింది. పెరుగుతున్న క్విట్ల సంఖ్యకు మద్దతు ఇవ్వడానికి ఈ సిస్టమ్లను స్కేల్ చేయడం అదనపు సవాలు.
క్వాంటం డీకోహెరెన్స్
క్వాంటం కంప్యూటర్లను నిర్మించడంలో ఉన్న గొప్ప సవాళ్లలో ఒకటి క్వాంటం డీకోహెరెన్స్ను నియంత్రించడం లేదా తొలగించడం. బాహ్య ప్రపంచంతో పరస్పర చర్యలు వ్యవస్థను డీకోహెర్ చేయడానికి కారణమవుతాయి కాబట్టి సాధారణంగా వ్యవస్థను దాని పర్యావరణం నుండి వేరుచేయడం దీని అర్థం. అయినప్పటికీ, డీకోహెరెన్స్ యొక్క ఇతర వనరులు కూడా ఉన్నాయి. ఉదాహరణలలో క్వాంటం గేట్లు మరియు క్విట్లను అమలు చేయడానికి ఉపయోగించే భౌతిక వ్యవస్థ యొక్క లాటిస్ వైబ్రేషన్లు మరియు నేపథ్య థర్మోన్యూక్లియర్ స్పిన్ ఉన్నాయి. డీకోహెరెన్స్ తిరిగి పొందలేనిది, ఎందుకంటే ఇది ప్రభావవంతంగా ఏకీకృతం కాదు, మరియు సాధారణంగా నివారించబడకపోతే ఎక్కువగా నియంత్రించబడాలి. ప్రత్యేకించి అభ్యర్థి సిస్టమ్ల కోసం డీకోహెరెన్స్ టైమ్లు, ట్రాన్స్వర్స్ రిలాక్సేషన్ టైమ్ T2 (NMR మరియు MRI టెక్నాలజీకి, డీఫాసింగ్ టైమ్ అని కూడా పిలుస్తారు), సాధారణంగా తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద నానోసెకన్లు మరియు సెకన్ల మధ్య ఉంటుంది. ప్రస్తుతం, కొన్ని క్వాంటం కంప్యూటర్లు గణనీయమైన డీకోహెరెన్స్ను నిరోధించడానికి వాటి క్విట్లను 20 మిల్లికెల్విన్కు (సాధారణంగా పలుచన రిఫ్రిజిరేటర్ని ఉపయోగిస్తాయి) చల్లబరచాలి. 2020 అధ్యయనం ప్రకారం, కాస్మిక్ కిరణాల వంటి అయోనైజింగ్ రేడియేషన్ కొన్ని వ్యవస్థలను మిల్లీసెకన్లలో డీకోహెర్ చేయడానికి కారణమవుతుంది.
ఫలితంగా, సమయం తీసుకునే పనులు కొన్ని క్వాంటం అల్గారిథమ్లను పనికిరానివిగా మార్చవచ్చు, ఎందుకంటే క్విట్ల స్థితిని తగినంత కాలం పాటు నిర్వహించడం వలన చివరికి సూపర్పొజిషన్లు పాడవుతాయి.
ఈ సమస్యలు ఆప్టికల్ విధానాలకు చాలా కష్టంగా ఉంటాయి, ఎందుకంటే సమయ ప్రమాణాలు తక్కువ పరిమాణంలో ఉంటాయి మరియు వాటిని అధిగమించడానికి తరచుగా ఉదహరించబడిన విధానం ఆప్టికల్ పల్స్ షేపింగ్. లోపం రేట్లు సాధారణంగా ఆపరేటింగ్ సమయం మరియు డీకోహెరెన్స్ సమయం యొక్క నిష్పత్తికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటాయి, కాబట్టి ఏదైనా ఆపరేషన్ డీకోహెరెన్స్ సమయం కంటే చాలా త్వరగా పూర్తి చేయాలి.
క్వాంటం థ్రెషోల్డ్ సిద్ధాంతంలో వివరించినట్లుగా, లోపం రేటు తగినంత తక్కువగా ఉంటే, లోపాలు మరియు డీకోహెరెన్స్ను అణిచివేసేందుకు క్వాంటం లోపం దిద్దుబాటును ఉపయోగించడం సాధ్యమవుతుందని భావించబడుతుంది. లోపం దిద్దుబాటు పథకం లోపాలను డీకోహెరెన్స్ ప్రవేశపెట్టిన దానికంటే వేగంగా సరిదిద్దగలిగితే, ఇది మొత్తం గణన సమయం డీకోహెరెన్స్ సమయం కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. తప్పు-తట్టుకునే గణన కోసం ప్రతి గేట్లో అవసరమైన లోపం రేటు కోసం తరచుగా ఉదహరించబడిన ఫిగర్ 10−3, శబ్దం డిపోలరైజింగ్ అని ఊహిస్తుంది.
ఈ స్కేలబిలిటీ షరతును చేరుకోవడం విస్తృత శ్రేణి సిస్టమ్లకు సాధ్యమవుతుంది. అయినప్పటికీ, ఎర్రర్ దిద్దుబాటును ఉపయోగించడం వలన అవసరమైన క్విట్ల సంఖ్య బాగా పెరిగింది. షోర్ యొక్క అల్గారిథమ్ని ఉపయోగించి కారకం పూర్ణాంకానికి అవసరమైన సంఖ్య ఇప్పటికీ బహుపది, మరియు L మరియు L2 మధ్య ఉన్నట్లు భావించబడుతుంది, ఇక్కడ L అనేది కారకం చేయవలసిన సంఖ్యలోని అంకెల సంఖ్య; లోపం దిద్దుబాటు అల్గారిథమ్లు ఈ సంఖ్యను L యొక్క అదనపు కారకం ద్వారా పెంచుతాయి. 1000-బిట్ సంఖ్య కోసం, ఇది లోపం దిద్దుబాటు లేకుండా దాదాపు 104 బిట్ల అవసరాన్ని సూచిస్తుంది. లోపం దిద్దుబాటుతో, ఫిగర్ సుమారు 107 బిట్లకు పెరుగుతుంది. గణన సమయం దాదాపు L2 లేదా దాదాపు 107 దశలు మరియు 1 MHz వద్ద, దాదాపు 10 సెకన్లు.
స్టెబిలిటీ-డీకోహెరెన్స్ సమస్యకు చాలా భిన్నమైన విధానం ఏమిటంటే, థ్రెడ్లుగా ఉపయోగించే పాక్షిక-కణాలు మరియు స్థిరమైన లాజిక్ గేట్లను రూపొందించడానికి బ్రేడ్ సిద్ధాంతంపై ఆధారపడటం ద్వారా టోపోలాజికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్ను సృష్టించడం.
క్వాంటం ఆధిపత్యం
క్వాంటం ఆధిపత్యం అనేది జాన్ ప్రెస్కిల్ చేత రూపొందించబడిన పదం, ఇది ప్రోగ్రామబుల్ క్వాంటం పరికరం స్టేట్ ఆఫ్ ది ఆర్ట్ క్లాసికల్ కంప్యూటర్ల సామర్థ్యాలకు మించిన సమస్యను పరిష్కరించగలదని నిరూపించే ఇంజనీరింగ్ ఫీట్ను సూచిస్తుంది. సమస్య ఉపయోగకరంగా ఉండవలసిన అవసరం లేదు, కాబట్టి కొందరు క్వాంటం ఆధిపత్య పరీక్షను సంభావ్య భవిష్యత్ బెంచ్మార్క్గా మాత్రమే చూస్తారు.
అక్టోబర్ 2019లో, Google AI క్వాంటం, NASA సహాయంతో, Sycamore క్వాంటం కంప్యూటర్లో సమ్మిట్లో చేయగలిగే దానికంటే 3,000,000 రెట్లు ఎక్కువ వేగంగా గణనలు చేయడం ద్వారా క్వాంటం ఆధిపత్యాన్ని సాధించినట్లు క్లెయిమ్ చేసిన మొదటి వ్యక్తిగా నిలిచింది, సాధారణంగా ప్రపంచంలోనే అత్యంత వేగవంతమైనదిగా పరిగణించబడుతుంది. కంప్యూటర్. ఈ దావా తరువాత సవాలు చేయబడింది: IBM సమ్మిట్ క్లెయిమ్ చేసిన దానికంటే చాలా వేగంగా నమూనాలను నిర్వహించగలదని పేర్కొంది మరియు పరిశోధకులు అప్పటి నుండి క్వాంటం ఆధిపత్యాన్ని క్లెయిమ్ చేయడానికి ఉపయోగించే నమూనా సమస్య కోసం మెరుగైన అల్గారిథమ్లను అభివృద్ధి చేశారు, సైకామోర్ మరియు మధ్య అంతరాన్ని గణనీయంగా తగ్గించడం లేదా మూసివేయడం. క్లాసిక్ సూపర్ కంప్యూటర్లు.
డిసెంబర్ 2020లో, USTCలోని ఒక సమూహం క్వాంటం ఆధిపత్యాన్ని ప్రదర్శించడానికి ఫోటోనిక్ క్వాంటం కంప్యూటర్ జియుజాంగ్తో 76 ఫోటాన్లపై ఒక రకమైన బోసన్ నమూనాను అమలు చేసింది. వారి క్వాంటం ప్రాసెసర్ 600 సెకన్లలో ఉత్పత్తి చేయగల నమూనాల సంఖ్యను రూపొందించడానికి క్లాసికల్ సమకాలీన సూపర్ కంప్యూటర్కు 20 మిలియన్ సంవత్సరాల గణన సమయం అవసరమని రచయితలు పేర్కొన్నారు. నవంబర్ 16, 2021న క్వాంటం కంప్యూటింగ్ సమ్మిట్లో IBM IBM ఈగిల్ అనే 127-క్విట్ మైక్రోప్రాసెసర్ను అందించింది.
భౌతిక అమలులు
క్వాంటం కంప్యూటర్ను భౌతికంగా అమలు చేయడం కోసం, అనేక మంది అభ్యర్థులు వెంబడిస్తున్నారు, వారిలో (క్విట్లను గ్రహించడానికి ఉపయోగించే భౌతిక వ్యవస్థ ద్వారా వేరు చేయబడుతుంది):
- సూపర్ కండక్టింగ్ క్వాంటం కంప్యూటింగ్ (చిన్న సూపర్ కండక్టింగ్ సర్క్యూట్ల స్థితి, జోసెఫ్సన్ జంక్షన్లచే అమలు చేయబడిన క్విట్)
- ట్రాప్డ్ అయాన్ క్వాంటం కంప్యూటర్ (క్విట్ ట్రాప్డ్ అయాన్ల అంతర్గత స్థితి ద్వారా అమలు చేయబడింది)
- ఆప్టికల్ లాటిస్లలో తటస్థ అణువులు (ఆప్టికల్ లాటిస్లో చిక్కుకున్న తటస్థ అణువుల అంతర్గత స్థితులచే అమలు చేయబడిన క్విట్)
- క్వాంటం డాట్ కంప్యూటర్, స్పిన్-ఆధారిత (ఉదా. లాస్-డివిన్సెంజో క్వాంటం కంప్యూటర్) (ట్రాప్డ్ ఎలక్ట్రాన్ల స్పిన్ స్టేట్స్ ద్వారా ఇవ్వబడిన క్విట్)
- క్వాంటం డాట్ కంప్యూటర్, ప్రాదేశిక-ఆధారిత (డబుల్ క్వాంటం డాట్లో ఎలక్ట్రాన్ స్థానం ద్వారా ఇవ్వబడిన క్విట్)
- ఇంజనీరింగ్ క్వాంటం బావులను ఉపయోగించి క్వాంటం కంప్యూటింగ్, ఇది సూత్రప్రాయంగా గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద పనిచేసే క్వాంటం కంప్యూటర్ల నిర్మాణాన్ని ఎనేబుల్ చేస్తుంది
- కపుల్డ్ క్వాంటం వైర్ (క్వాంటం పాయింట్ కాంటాక్ట్తో జత చేసిన క్వాంటం వైర్ల ద్వారా అమలు చేయబడిన క్విట్)
- న్యూక్లియర్ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ క్వాంటం కంప్యూటర్ (NMRQC) ద్రావణంలో అణువుల న్యూక్లియర్ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్తో అమలు చేయబడుతుంది, ఇక్కడ క్విట్లు కరిగిన అణువులోని న్యూక్లియర్ స్పిన్ల ద్వారా అందించబడతాయి మరియు రేడియో తరంగాలతో ప్రోబ్ చేయబడతాయి.
- సాలిడ్-స్టేట్ NMR కేన్ క్వాంటం కంప్యూటర్లు (సిలికాన్లోని భాస్వరం దాతల యొక్క న్యూక్లియర్ స్పిన్ స్థితి ద్వారా క్విట్ గ్రహించబడింది)
- ఎలక్ట్రాన్లు-ఆన్-హీలియం క్వాంటం కంప్యూటర్లు (క్విట్ అనేది ఎలక్ట్రాన్ స్పిన్)
- కావిటీ క్వాంటం ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్ (CQED) (అధిక సూక్ష్మ కావిటీస్తో కలిసి చిక్కుకున్న పరమాణువుల అంతర్గత స్థితి ద్వారా అందించబడిన క్విట్)
- మాలిక్యులర్ మాగ్నెట్ (స్పిన్ స్టేట్స్ ద్వారా ఇవ్వబడిన క్విట్)
- ఫుల్లెరిన్-ఆధారిత ESR క్వాంటం కంప్యూటర్ (ఫుల్లెరిన్లలో నిక్షిప్తం చేయబడిన పరమాణువులు లేదా అణువుల ఎలక్ట్రానిక్ స్పిన్ ఆధారంగా క్విట్)
- నాన్ లీనియర్ ఆప్టికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్ (లీనియర్ మరియు నాన్ లీనియర్ ఎలిమెంట్స్ రెండింటి ద్వారా కాంతి యొక్క వివిధ రీతులను ప్రాసెస్ చేయడం ద్వారా క్విట్లు గ్రహించబడతాయి)
- లీనియర్ ఆప్టికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్ (లీనియర్ ఎలిమెంట్స్ ద్వారా కాంతి యొక్క వివిధ రీతులను ప్రాసెస్ చేయడం ద్వారా క్విట్లు గ్రహించబడతాయి ఉదా. అద్దాలు, బీమ్ స్ప్లిటర్లు మరియు ఫేజ్ షిఫ్టర్లు)
- డైమండ్-ఆధారిత క్వాంటం కంప్యూటర్ (వజ్రంలోని నైట్రోజన్-ఖాళీ కేంద్రాల ఎలక్ట్రానిక్ లేదా న్యూక్లియర్ స్పిన్ ద్వారా క్విట్ గ్రహించబడింది)
- బోస్-ఐన్స్టీన్ కండెన్సేట్-ఆధారిత క్వాంటం కంప్యూటర్
- ట్రాన్సిస్టర్-ఆధారిత క్వాంటం కంప్యూటర్ – ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ ట్రాప్ని ఉపయోగించి పాజిటివ్ హోల్స్తో కూడిన స్ట్రింగ్ క్వాంటం కంప్యూటర్లు
- అరుదైన-ఎర్త్-మెటల్-అయాన్-డోప్డ్ అకర్బన క్రిస్టల్ ఆధారిత క్వాంటం కంప్యూటర్లు (ఆప్టికల్ ఫైబర్స్లోని డోపాంట్ల అంతర్గత ఎలక్ట్రానిక్ స్థితి ద్వారా క్విట్ గ్రహించబడింది)
- లోహ-వంటి కార్బన్ నానోస్పియర్-ఆధారిత క్వాంటం కంప్యూటర్లు
- అధిక సంఖ్యలో అభ్యర్థులు క్వాంటం కంప్యూటింగ్, వేగవంతమైన పురోగతి ఉన్నప్పటికీ, ఇంకా ప్రారంభ దశలోనే ఉందని నిరూపిస్తున్నారు.
అనేక క్వాంటం కంప్యూటింగ్ నమూనాలు ఉన్నాయి, గణన కుళ్ళిపోయిన ప్రాథమిక అంశాల ద్వారా వేరు చేయబడుతుంది. ఆచరణాత్మక అమలుల కోసం, గణన యొక్క నాలుగు సంబంధిత నమూనాలు:
- క్వాంటం గేట్ శ్రేణి (కొన్ని-క్విట్ క్వాంటం గేట్ల క్రమంలో కుళ్ళిపోయిన గణన)
- వన్-వే క్వాంటం కంప్యూటర్ (అత్యంత చిక్కుకున్న ప్రారంభ స్థితి లేదా క్లస్టర్ స్థితికి వర్తించే వన్-క్విట్ కొలతల శ్రేణిలో గణన కుళ్ళిపోతుంది)
- క్వాంటం ఎనియలింగ్ ఆధారంగా అడియాబాటిక్ క్వాంటం కంప్యూటర్ (ప్రారంభ హామిల్టోనియన్ను చివరి హామిల్టోనియన్గా నెమ్మదిగా నిరంతర రూపాంతరం చెందడం ద్వారా గణన కుళ్ళిపోతుంది, దీని గ్రౌండ్ స్టేట్లు పరిష్కారాన్ని కలిగి ఉంటాయి)
- టోపోలాజికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్ (2D లాటిస్లో ఎవరినైనా అల్లడం ద్వారా గణన కుళ్ళిపోతుంది)
క్వాంటం ట్యూరింగ్ యంత్రం సిద్ధాంతపరంగా ముఖ్యమైనది కానీ ఈ నమూనా యొక్క భౌతిక అమలు సాధ్యం కాదు. గణన యొక్క నాలుగు నమూనాలు సమానమైనవిగా చూపబడ్డాయి; ప్రతి ఒక్కటి బహుపది ఓవర్హెడ్ కంటే ఎక్కువ లేకుండా మరొకదానిని అనుకరించగలదు.
సర్టిఫికేషన్ పాఠ్యాంశాలతో మిమ్మల్ని మీరు వివరంగా తెలుసుకునేందుకు మీరు దిగువ పట్టికను విస్తరించవచ్చు మరియు విశ్లేషించవచ్చు.
EITC/QI/QIF క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ఫండమెంటల్స్ సర్టిఫికేషన్ కరికులం వీడియో రూపంలో ఓపెన్-యాక్సెస్ డిడాక్టిక్ మెటీరియల్లను సూచిస్తుంది. అభ్యాస ప్రక్రియ దశల వారీ నిర్మాణంగా విభజించబడింది (కార్యక్రమాలు -> పాఠాలు -> అంశాలు) సంబంధిత పాఠ్యాంశాలను కవర్ చేస్తుంది. డొమైన్ నిపుణులతో అపరిమిత కన్సల్టెన్సీ కూడా అందించబడుతుంది.
ధృవీకరణ ప్రక్రియపై వివరాల కోసం తనిఖీ చేయండి ఇది ఎలా పని చేస్తుంది.
ప్రధాన ఉపన్యాస గమనికలు
యు. వజిరాణి ఉపన్యాస గమనికలు:
https://people.eecs.berkeley.edu/~vazirani/quantum.html
సపోర్టివ్ లెక్చర్ నోట్స్
L. జాకాక్ మరియు ఇతరులు. లెక్చర్ నోట్స్ (సప్లిమెంటరీ మెటీరియల్స్తో):
https://drive.google.com/open?id=1cl27qPRE8FyB3TvvMGp9mwBFc-Qe-nlG
https://drive.google.com/open?id=1nX_jIheCHSRB7pYAjIdVD0ab6vUtk7tG
ప్రధాన సహాయక పాఠ్య పుస్తకం
క్వాంటం కంప్యూటేషన్ & క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ పాఠ్య పుస్తకం (నీల్సన్, చువాంగ్):
http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/W020170224608149940643.pdf
అదనపు ఉపన్యాస గమనికలు
J. ప్రెస్కిల్ లెక్చర్ నోట్స్:
http://theory.caltech.edu/~preskill/ph219/index.html#lecture
ఎ. చైల్డ్ లెక్చర్ నోట్స్:
http://www.math.uwaterloo.ca/~amchilds/teaching/w08/co781.html
S. ఆరోన్సన్ లెక్చర్ నోట్స్:
https://scottaaronson.blog/?p=3943
R. de Wolf లెక్చర్ నోట్స్:
https://arxiv.org/abs/1907.09415
ఇతర సిఫార్సు పాఠ్యపుస్తకాలు
క్లాసికల్ మరియు క్వాంటం కంప్యూటేషన్ (కిటేవ్, షెన్, వ్యాలీ)
http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/082182161X/qid=1064887386/sr=8-3/ref=sr_8_3/102-1370066-0776166
డెమోక్రిటస్ (ఆరోన్సన్) నుండి క్వాంటం కంప్యూటింగ్
http://www.amazon.com/Quantum-Computing-since-Democritus-Aaronson/dp/0521199565
ది థియరీ ఆఫ్ క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ (వాట్రస్)
https://www.amazon.com/Theory-Quantum-Information-John-Watrous/dp/1107180562/
క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ థియరీ (వైల్డ్)
http://www.amazon.com/Quantum-Information-Theory-Mark-Wilde/dp/1107034256
EITC/QI/QIF క్వాంటం ఇన్ఫర్మేషన్ ఫండమెంటల్స్ ప్రోగ్రామ్ కోసం పూర్తి ఆఫ్లైన్ స్వీయ-అభ్యాస సన్నాహక సామగ్రిని PDF ఫైల్లో డౌన్లోడ్ చేయండి
EITC/QI/QIF ప్రిపరేటరీ మెటీరియల్స్ - ప్రామాణిక వెర్షన్
EITC/QI/QIF ప్రిపరేటరీ మెటీరియల్స్ - సమీక్ష ప్రశ్నలతో పొడిగించిన వెర్షన్