Smak obliczeń kwantowych
Transkrypt
Smak obliczeń kwantowych
Paradygmaty i języki programowania Smak obliczeń kwantowych UMCS Lublin 5 czerwiec, 2014. w–15 Teleportacja TH-researchers cannot “beam” objects or humans of flesh and blood through space yet, a feat sometimes alluded to in science fiction movies. They managed, however, to teleport information from A to B – for the first time in an electronic circuit, similar to a computer chip. ETH news. Sierpień, 2014. E Artykuł: Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system. L. Steffen, Y. Salathe, M. Oppliger, P. Kurpiers, M. Baur, C. Lang, C. Eichler, G. Puebla-Hellmann, A. Fedorov and A. Wallraff. Nature 500, 319–322 (15 August 2013) doi:10.1038/nature12422 http://www.nature.com/nature/journal/v500/n7462/full/nature12422.html 2 / 50 Teleportacja | ψi C • H • | φi †A | φi †B • | ψi B G = (H ⊗ I)Cn . 3 / 50 Teleportacja – streszczenie ngineered macroscopic quantum systems based on superconducting electronic circuits are attractive for experimentally exploring diverse questions in quantum information science1,2,3 . At the current state of the art, quantum bits (qubits) are fabricated, initialized, controlled, read out and coupled to each other in simple circuits. This enables the realization of basic logic gates4 , the creation of complex entangled states5,6 and the demonstration of algorithms7 or error correction8 . Using different variants of low-noise parametric amplifiers9 , dispersive quantum non-demolition single-shot readout of single-qubit states with high fidelity has enabled continuous10 and discrete11 feedback control of single qubits. Here we realize full deterministic quantum teleportation with feed-forward in a chip-based superconducting circuit architecture12,13,14 . We use a set of two parametric amplifiers for both joint two-qubit and individual qubit single-shot readout, combined with flexible real-time digital electronics. Our device uses a crossed quantum bus technology that allows us to create complex networks with arbitrary connecting topology in a planar architecture. The deterministic teleportation process succeeds with order unit probability for any input state, as we prepare maximally entangled two-qubit states as a resource and distinguish all Bell states in a single two-qubit measurement with high efficiency and high fidelity. We teleport quantum states between two macroscopic systems separated by 6mm at a rate of 104 s−1 , exceeding other reported implementations. The low transmission loss of superconducting waveguides is likely to enable the range of this and other schemes to be extended to significantly larger distances, enabling tests of non-locality and the realization of elements for quantum communication at microwave frequencies. The demonstrated feed-forward may also find application in error correction schemes. E 4 / 50 Co to są obliczenia kwantowe? Wykorzystanie zjawisk mikroświata opisywanych mechaniką kwantoweą do obliczeń ... teoria istnieje już 90 lat! Główne wysiłki: Budowa urządzeń Projektowanie algorytmów 5 / 50 Plan 1. Czy potrzebujemy komputerów kwantowych? 2. Bit i qubit 3. Algebra 4. Mechanika kwantowa w pigułce 5. Model obliczeń kwantowych 6. Bramki logiczne 7. Algorytmy Algorytm Deutscha Inne algorytmy 8. Informacja kwantowa Teleportacja 9. Literatura 6 / 50 Jonowy komputer kwantowy Komputer kwantowy. N-jonów. (Aspect, Grangier (2004). 7 / 50 Po co są komputery kwantowe? Świat działa wg. mechaniki kwantowej (MK) Urządzenia są coraz mniejsze; upakowanie (patrz prawa Moora 1 ) W mikroświecie obowiązują prawa fizyki kwantowej Wykorzystanie MK może pozwolić na wykonanie klasycznie niemożliwych obliczeń 1 Czy potrzebujemy komputerów kwantowych? 8 / 50 Bit Komputer klasyczny oparty jest na pracy układów dwustanowych: 0↔1 Układ o dwóch stabilnych stanach dyskretnych z możliwością kontroli przejść między nimi może być elementem komputera klasycznego. Realizacja: Kondensator naładowany – 1, nienaładowany – 0. Bit i qubit 9 / 50 Bit / Qubit Realizacja: cząstka ze spinem w polu magnetycznym, atom o dwóch stanach. Doświadczenie Sterna-Gerlacha (atomy srebra w polu magnetycznym) E = −µ · B . µ – moment magnetyczny atomu, B – indukcja magnetyczna. Bit i qubit 10 / 50 Qubity Układy dwustanowe, wg. mechaniki kwantowej, moga istnieć jako superpozycja stanów czystych (bazowych). |0i ẑ θ Bit kwantowy (qubit) jest postaci |ψi • α| 0i + β| 1i ŷ gdzie α i β – amplitudy prawdopodobieństwa. – liczby zespolone x̂ φ |α| + |β| = 1 . 2 2 Przykład: √ | xi = 1/ 2 (| 0i + | 1i ) |1i Sfera Blocha α| 0i + β| 1i = e−iφ/2 cos Bit i qubit θ θ | 0i + eiφ sin | 1i 2 2 11 / 50 Pomiar Wykonanie pomiaru na qubicie daje stan | 0i z prawdopodobieństwem |α|2 i stan | 1i z prawdopodobieństwem |β|2 . Po pomiarze... układ znajduje się w stanie zmierzonym: następny pomiar da stan zmierzony. Bit i qubit 12 / 50 Pomiar Stany α| 0i + β| 1i i α| 0i − β| 1i są różne. Prawdopodobieństwa pomiarów w obu przypadkach są jednakowe! Ewolucja obu stanów jest różna. Bit i qubit 13 / 50 Wektory Qubit α| 0i + β| 1i możemy reprezentować wektorem w przestrzeni C2 . Wektor α β interpretujemy jako Wektorami bazowymi są: | 0i = α β =α 1 0 1 0 i | 1i = +β 0 1 0 1 . (| .i – ket-Diraca). Jest to tzw. baza obliczeniowa. Bit i qubit 14 / 50 Splątanie stanów – entanglement Układ złożony, np. z 4 qubitów (4-qubit) a0 | 0000i + a1 | 0001i + · · · + a215 | 1111i lub ogólniej n 2X −1 X ai | i2 i , |ai |2 = 1 . i=0 W wielu przypadkach taki stan można zapisac w postaci “iloczynu” stanów pojedynczych qubitów, np. 1/2(| 00i Bit i qubit √ − | 01i − | 10i + | 11i ) = 1/ 2(| 0i √ 2(| 0i + | 1i ) ⊗ 1/ − | 1i ) . 15 / 50 Splątanie stanów – entanglement Splątanie . . . Rozpatrzmy stany √ | ai = 1/ 2(| 00i + | 01i ) oraz √ 2(| 00i | bi = 1/ + | 11i ) . Jeśli dokonamy pomiaru pierwszego qubitu w stanie | ai zobaczymy | 0i z prawdopodobieństwem 1 i stan się nie zmieni. W drugim przypadku, pomiar da | 0i lub | 1i z równym prawdopodobieństwem. Znamy też drugi qubit. Jest to tzw. stan EPR (Einsteina-Podolskiego-Rosena). Bit i qubit 16 / 50 Algebra Qubity – wektory z abstrakcyjnej przestrzeni rozpiętej nad ciałem C2 – algebra przestrzeni zespolonych. Iloczyn tensorowy przestrzeni. Operator liniowy ^ 0i + β| 1i ) = α(A| ^ 0i ) + β(A| ^ 1i ) A(α| działający w przestrzeni z bazą ei reprezentowany jest macierzą o elementach Aij : ^ ei i = A| X Aki | ek i . k Algebra 17 / 50 Algebra Obrót wektorów 1 0 i 0 1 o 45o realizuje macierz √ 1/ 2 √ 1/ 2 Wynikiem jej działania są wektory: √ 1/ 2 √ 1/ 2 Algebra √ −1/ 2 √ 1/ 2 oraz √ −1/ 2 √ 1/ 2 . 18 / 50 Iloczyn skalarny – wewnętrzny W przestrzeni V iloczyn wektorów h u || vi jest odwzorowaniem: V × V → R. Własności h u || αv + βwi = α h u || vi + β h u || wi h u || vi = h v || ui ∗ h v || vi ≥ 0; Algebra h v || vi ∈ R; h v || vi ↔v = 0. 19 / 50 Iloczyn skalarny – wewnętrzny u, v ∈ C2 z bazą | ii : u= X i v= ui | ii , X vi | ii i h u || vi = X u∗i vi i Algebra 20 / 50 Inne pojęcia Norma: |u| = p h u || ui Wektor jednostkowy: |u| = 1. Ortogonalność: h u || vi = 0. Przestrzeń Hilberta = przestrzeń z iloczynem skalarnym. ^ Jeśli u jest jednostkowy to P^ = | vi h v | jest operatorem Operator rzutowy: P^ 2 = P; rzutowania. Każdy operator liniowy można zapisać w postaci: X A^ = Aij | ii h j | . i Algebra 21 / 50 Operatory unitarne, Hermitowskie, itp. ^ Operator sprzężony A^† z operatorem A: ^ = h A^+ u || vi . h u || Avi Reprezentacja macierzowa: A† = (A∗ )T . Przykład. 1 1 1+i 1−i † = 1 1−i 1 1+i . ^ Operator Hermitowski: A^† = A. Algebra 22 / 50 Operatory unitarne ^ Operator liniowy unitarny: A^A^† = A^† A. lub: A^† = A^−1 – odwrotny. ^ || vi = h Au ^ || vi . Ważna własność: h Au Przykład: Macierze Pauliego. σ0 = σy = Algebra 1 0 0 1 0 i −i 0 , σx = 0 1 , σz = −1 0 1 0 0 −1 , . 23 / 50 Iloczyn tensorowy u ∈ U, v ∈ V, gdzie U, V – przestrzenie wektorowe. | uvi ∈ U ⊗ V: | (u + u 0 )vi = | vui + | vu 0 i | u(v + v 0 )i = | uvi + | uv 0 i a| uvi = | (au)vi = | u(av)i Dla operatorów liniowych A^ : U → U i B^ : V → V definiujemy operator A^ ⊗ B^ : U ⊗ V → U ⊗ V: ^ uvi = | Au, Bvi . A^ ⊗ B| Algebra 24 / 50 Iloczyn tensorowy ^ Macierz operatora A^ ⊗ B: A11 B A21 B An1 B A12 B A22 B ... An2 B ... ... ... A1m A2m Anm Przykład. σx ⊗ σy = Algebra 0 1 −1 0 ⊗ 0 i −i 0 0 0 = 0 i 0 0 −i 0 0 −i 0 0 i 0 . 0 0 25 / 50 Mechanika kwantowa 1 Fizyczny stan układu ↔ stan w przestrzeni Hilberta 2 Ewolucja układu ih̄ ∂| ψi ^ ψi = H| ∂t lub | ψ(t)i = U(t)| ψ(0)i , ^ U(t) = e−iHt/h̄ U(t) – unitarny operator ewolucji kwantowej układu w czasie; zależy od hermitowskiego ^ Hamiltonianu H 3 Postulat pomiaru: Pomiar wtrąca układ w stan zmierzony. Prawdopodobieństwo ^ pomiaru po obserwabli O: X ^ † O| ^ ψi , po = h ψ |O po = 1 . P jest operacją nieunitarną. Pomiar prawdopodobieństwa znalezienia układu w stanach obliczeniowych | ii realizowany jest przez operacje rzutowe P^i . Mechanika kwantowa w pigułce 26 / 50 Mechanika kwantowa Pomiar prawdopodobieństwa znalezienia układu w stanach obliczeniowych | ii , w przypadku jednego qubitu, realizowany jest przez operacje rzutowe P^i = | ii h i |, i = 0, 1. p0 = (α∗ h 0 | + β∗ | 1i )P0† P0 (α| 0i + α| 1i ) = |α|2 p1 = (α∗ h 0 | + β∗ | 1i )P1† P1 (α| 0i + α| 1i ) = |β|2 Mechanika kwantowa w pigułce 27 / 50 Modele obliczeń Schemat obliczeń kwantowych: ^=O ^1 O ^2 . . . O ^n O ^ k jest operacją na układzie qubitów. gdzie O ^ są unitarne. Obliczenia O Pomiarów wielkości obliczonych dokonuje sie po obliczeniach unitarnych. ^i ! Założenie: Fizycy realizują operacje O Model obliczeń kwantowych 28 / 50 Dekoherencja Wrogiem obliczeń kwantowych jest DEKOHERENCJA czyli rozpad stanów splątanych powodowany oddziaływaniem z otoczeniem, które jest tym większe im większy jest komputer – większa jest liczba qubitów. Czasy rozpadu, w zależności od realizacji układu fizycznego (komputera) są zazwyczaj bardzo krótkie. Ilość operacji, które w tym czasie można wykonać zależy od średniego czasu przeprowadzania jednej operacji. Obecnie, szacuje się, że liczba operacji na sekundę (flopy) wynosić może nawet do 1013 w przypadku komputera NMR. Komputery, które zrealizowano (małe) pracują z szybkością tysięcy operacji na sekundę. Model obliczeń kwantowych 29 / 50 Bramki klasyczne Komputer klasyczny zbudowany jest z bramek logicznych, przetwarzających bity. Np. bramki AND; x AND y = x ∧ y = xy oraz NOT: | xi | yi | xi Bramki logiczne | xyi AND NOT | 1 ⊕ xi 30 / 50 Bramki kwantowe | xi Bramki kwantowe maję taką samą liczbę wejść i wyjść – unitarność ewolucji – odwracalność obliczeń. | yi Przykład. cNOT (2 qubity). | yi | xi 1 0 0 0 Bramki logiczne 0 1 0 0 0 0 0 1 • • | xi | x ⊕ yi 0 0 1 0 a1 a1 a2 −→ a2 a3 a4 a4 a3 31 / 50 Bramki kwantowe PODSTAWOWE (1 qubit) Hadamarda H Pauliego-σx X Pauliego-σy Y Pauliego-σz Z Fazowa S π/8 T 1 −1 0 1 1 0 0 −i 0 i 1 0 0 1 1 0 0 i 1 0 0 eiπ/4 √ 1/ 2 1 1 Więcej qubitów – iloczyny tensorowe. Bramki logiczne 32 / 50 Elementy obwodów kwantowych – słowniczek Symbol Znaczenie drut kwantowy, qubit • symbol qubitu kontrolnego B bramka kwantowa B bit klasyczny Pomiar na qubicie unitarne obliczenia funkcji f, 3 qubity Uf Bramki logiczne 33 / 50 Bramki kwantowe Przykład. Uogólnienie cNOT: cU. Kontrolowane U. I 0 1 cU = , I= 0 U 0 0 1 . Jeśli x = 0 to y się nie zmienia; jeśli x = 1, cU modyfikuje y: | yi → | Uyi . • • • = U Bramki logiczne A B C 34 / 50 Bramki kwantowe Przykład. Bramka Toffoliego U= √ 1 1+i = • • U2 U U† Bramki logiczne 1 i • • • σx = i 1 • • U 35 / 50 Algorytm Deutscha Rozpatrzmy operację odwracalną (2 qubity): Uf (x, y) = (x, x ⊕ f(y)) . Jest to operacja obliczania funkcji f(x). Dla y = 0 U f (x, 0) −→ (x, f(x)) . Uf jest unitarna. (Sprawdzić U2f = 1) Działanie H (operacja Hadamarda) na pierwszy qubit (x) i kolejne działanie Uf daje: √ | ψi = Uf | H0 ⊗ 0i = Uf 1/ 2(| 0 √ 2(| 0 ⊗ 0i + | 1 ⊗ 0i ) = 1/ ⊗ f(0)i + | 1 ⊗ f(1)i ) . Wyliczone zostały jednocześnie f(0) i f(1)! Algorytmy Algorytm Deutscha 36 / 50 Algorytm Deutscha U f (x, y) −→ (x, y ⊕ f(x)) . Unitarność Uf : U f (x, y ⊗ f(x)) −→ (x, [y ⊕ f(x)] ⊕ f(x)) = (x, y) x y x Uf y ⊕ f(x) Jednoczesne obliczanie f(0) i f(1). Algorytmy Algorytm Deutscha 37 / 50 Algorytm Deutscha Czy f jest funkcją stałą? (tzn. czy f(0) = f(1), czy też f(0) 6= f(1)?) | 0i H H x Uf | 1i H ↑ ↑ | ψi | φi 1 X | ψi = (H| 0i ) ⊗ (H| 1i ) = 1/2(| 0i + | 1i ) ⊗ (| 0i − | 1i ) = 1/2( | xi ) ⊗ (| 0i − | 1i ) x=0 Po zastosowaniu Uf : U f 1. f(x) = 0: (| 0i − | 1i ) −→ +(| 0i − | 1i ) U f 2. f(x) = 1: (| 0i − | 1i ) −→ −(| 0i − | 1i ) Czyli U f (| 0i − | 1i ) −→ (−1)f(x) (| 0i − | 1i ) . Algorytmy Algorytm Deutscha 38 / 50 Algorytm Deutscha Wiemy, że | ψi = 1/2( 1 X | xi ) ⊗ | 0i − | 1i , x=0 czyli Uf | ψi = 1/2( 1 X (−1)f(x) | xi ) ⊗ (| 0i − | 1i ) . x=0 Wynik dla rejestru wejścia: U f | xi −→ (−1)f(x) | xi . Po obliczeniu stan qubitu jest więc | φi = 1/2 (−1)f(0) | 0i + (−1)f(1) | 1i . Algorytmy Algorytm Deutscha 39 / 50 Algorytm Deutscha Przed pomiarem zastosujemy do φ operację H (Hadamarda): h i H| φi = 1/2 (−1)f(0) (| 0i + | 1i ) + (−1)f(1) (| 0i − | 1i ) i i h h = 1/2 (−1)f(0) +(−1)f(1) | 0i + 1/2 (−1)f(0) −(−1)f(1) | 1i . Jeśli zmierzony qubit ma wartość zero to f(0) = f(1). jeśli wartość zmierzona to jeden, wówczas f(0) 6= f(1). Prowadzi do tego JEDNO obliczenie wszystkich wartości f jednocześnie. Algorytmy Algorytm Deutscha 40 / 50 Algorytm Grovera Algorytm Grovera Dotyczy przeszukiwania. Dla N √ elementów czas klasycznych obliczeń T ∼ N/2. Czas algorytmu kwantowego: T ∼ N ! Algorytm szybkiej transformacji Fouriera Niech x ∈ N, x0 ≤ x ≤ 2n − 1 i niech | xi bębzie wektorem w bazie obliczeniowej | xi = | xn−1 · · · x1 x0 i , xi = 0 lub 1. Transformata Fouriera jest zdefiniowana jako h y |UFT | xi = (UFT )xy = n 1 e2iπxy/2 . 2n/2 Algorytm FT dotyczy tej transformacji. Wykorzystywany jest w algorytmie Shora faktoryzacji liczb. Algorytm Shora Klasyczny algorytm Rivesta-Shamira-Adlemana (RSA) służy do szyfrowania i deszyfrowania dokumentów. Polega na ... Algorytm Shora jest algorytmem faktoryzacji liczb - rozkładu liczb na czynniki pierwsze. Jeśli wypali ... nie ma RSA! Algorytmy Inne algorytmy 41 / 50 Informacja kwantowa Teleportacja Entropia (Shannon vs. von Neumann) Kwantowa korekcja błędów Kryptografia kwantowa ... Informacja kwantowa 42 / 50 Stany Bella | q1 i ⊗ | q2 i | xi We | 00i | 01i | 10i | 11i Wy (| 00i (| 01i (| 00i (| 01i Informacja kwantowa √ + | 11i )/√2 + | 10i )/√2 − | 11i )/√2 − | 10i )/ 2 | β00 i | β01 i | β10 i | β11 i | yi H • | βxy i Obwód realizujący splątane stany Bella. Teleportacja 43 / 50 Teleportacja Załóżmy, że Alicja chce przesłać Bolkowi informację o spinie stanu | φi A cząstki A. | φi A = λ| 0A i + µ| 1A i , który nie jest a priori znany, bez przesłanie samej cząstki. Nie może zmierzyć spinu bo nie zna bazy, w której przygotowano stan i pomiar wtrąciłby cząstkę w inny stan. Transfer informacji polega na użyciu dodatkowej pary cząstek B i C, w stanie splątanym, z których jedną posiada Alicja, a drugą Bolek. Cząstki te są np. w stanie Bella 1 | ψAB i √ (| 0B 0C i + | 1B 1C i ) . 2 Początkowy stan wszystkich cząstek λ µ | φABC i = | φA i ⊗ | ψBC i = √ | 0A i (| 0B 0C i + | 1B 1C i ) + √ | 1A i (| 0B 0C i + | 1B 1C i ) . 2 2 Informacja kwantowa Teleportacja 44 / 50 Teleportacja (z przeniesienia) λ µ | φABC i == √ | 0A i (| 0B 0C i + | 1B 1C i ) + √ | 1A i (| 0B 0C i + | 1B 1C i ) . 2 2 Alicja stosuje operację cNOT do qubitów A i B, otrzymując λ µ 0 | φABC i == √ | 0A i (| 0B 0C i + | 1B 1C i ) + √ | 1A i (| 1B 0C i + | 0B 1C i ) 2 2 i następnie H. Wynik końcowy: 00 | φABC i Informacja kwantowa = 1 | 0A 0B i (λ| 0C i + µ| 1C i ) 2 1 + | 0A 1B i (µ| 0C i + λ| 1C i ) 2 1 + | 1A 0B i (λ| 0C i − µ| 1C i ) 2 1 + | 1A 1B i (−µ| 0C i + λ| 1C i ) . 2 Teleportacja 45 / 50 Teleportacja (z przeniesienia) 00 | φABC i = 1 | 0A 0B i (λ| 0C i + µ| 1C i ) 2 1 + | 0A 1B i (µ| 0C i + λ| 1C i ) 2 1 + | 1A 0B i (λ| 0C i − µ| 1C i ) 2 1 + | 1A 1B i (−µ| 0C i + λ| 1C i ) . 2 Alicja mierzy następnie pierwsze dwa qubity w bazie {| 0i , | 1i }. Wysyła do Bolka (kanałem klasycznym) informacje o tym co ma zrobić: 00: OK! 01: (XC) – rotacja qubitu C o π wokół Ox. 10: (ZC) – rotacja o π wokół Oz. 11: (YC) – rotacja o π wokół Oy. Informacja kwantowa Teleportacja 46 / 50 Teleportacja, uwagi Współczynniki λ i µ nie są nigdy mierzone i stan | φA i jest niszczony przy pomiarze. Nie ma więc sprzeczności z twierdzeniem o nieklonowaniu. Bolek dowiaduje się o stanie cząstki C po tym jak Alicja prześle mu (klasycznie) informacje o pomiarach. Szybkość transmisji nie przekracza więc prędkości sygnałów świetlnych. Teleportacja nigdy nie dotyczy transportu materii. Informacja kwantowa Teleportacja 47 / 50 Podsumowanie Dowiedzieliśmy się kilku podstawowych rzeczy o obliczeniach kwantowych. Informacja kwantowa Teleportacja 48 / 50 Literatura Penrose, R. (2006) Droga do rzeczywistości. Prószyński i S-ka. Milburn, G.J. (2000) Procesor Feynmana. CiS, Warszawa. Deutsch, D. (1997) The fabric of reality. Penguin Books Ltd. Le Bellac, M. (2006) Quantum information and quantum computation. Cambridge Uni. Press. JEST WYDANIE POLSKIE. Nielsen, M.A. and Chuang, I.L. (2010). Quantum Computation and Quantum Information. 2nd ed. Cambridge University Press. Mermin, N.D. (2007). Quantum Computer Science. CUP. Kitaev, A.Y., Shen, A.H. and Vyalyi, M.N. (2002). Classical and Quantum Computation. AMS. Preskill: http://www.theory.caltech.edu/people/preskill/ph229/#lecture Literatura 49 / 50 Literatura Literatura 50 / 50