Komputer kwantowy Zasady funkcjonowania. Dr hab. inż. Krzysztof Giaro Politechnika Gdańska Wydział ETI

Podobne dokumenty
I. Elementy analizy matematycznej

Zapis informacji, systemy pozycyjne 1. Literatura Jerzy Grębosz, Symfonia C++ standard. Harvey M. Deitl, Paul J. Deitl, Arkana C++. Programowanie.

SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODĄ PROPAGACJI ROZKŁADÓW

SZTUCZNA INTELIGENCJA

Metody symulacji w nanostrukturach (III - IS)

V. WPROWADZENIE DO PRZESTRZENI FUNKCYJNYCH

Laboratorium ochrony danych

(M2) Dynamika 1. ŚRODEK MASY. T. Środek ciężkości i środek masy

Zestaw zadań 4: Przestrzenie wektorowe i podprzestrzenie. Liniowa niezależność. Sumy i sumy proste podprzestrzeni.

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Układy równań liniowych

Podstawy teorii falek (Wavelets)

-Macierz gęstości: stany czyste i mieszane (przykłady) -równanie ruchu dla macierzy gęstości -granica klasyczna rozkładów kwantowych

Rozwiązywanie zadań optymalizacji w środowisku programu MATLAB

Sztuczne sieci neuronowe. Krzysztof A. Cyran POLITECHNIKA ŚLĄSKA Instytut Informatyki, p. 311

Pokazać, że wyżej zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią wektorową nad ciałem

architektura komputerów w. 3 Arytmetyka komputerów

METODA ELEMENTU SKOŃCZONEGO. Termokinetyka

Proces narodzin i śmierci

Wprowadzenie do teorii komputerów kwantowych

Statystyka. Zmienne losowe

XXX OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

dy dx stąd w przybliżeniu: y

± Δ. Podstawowe pojęcia procesu pomiarowego. x rzeczywiste. Określenie jakości poznania rzeczywistości

Wyznaczanie współczynnika sztywności zastępczej układu sprężyn

( ) ( ) 2. Zadanie 1. są niezależnymi zmiennymi losowymi o. oraz. rozkładach normalnych, przy czym EX. i σ są nieznane. 1 Niech X

PODSTAWY MATEMATYCZNE

) będą niezależnymi zmiennymi losowymi o tym samym rozkładzie normalnym z następującymi parametrami: nieznaną wartością 1 4

Diagonalizacja macierzy kwadratowej

ZASADA ZACHOWANIA MOMENTU PĘDU: PODSTAWY DYNAMIKI BRYŁY SZTYWNEJ

5. Maszyna Turinga. q 1 Q. Konfiguracja: (q,α β) q stan αβ niepusta część taśmy wskazanie położenia głowicy

STATECZNOŚĆ SKARP. α - kąt nachylenia skarpy [ o ], φ - kąt tarcia wewnętrznego gruntu [ o ],

STANDARDOWE TECHNIKI KOMPRESJI SYGNAŁÓW

Kryptografia. z elementami kryptografii kwantowej. Ryszard Tanaś Wykład 13

STATYSTYKA MATEMATYCZNA WYKŁAD 5 WERYFIKACJA HIPOTEZ NIEPARAMETRYCZNYCH

RUCH OBROTOWY Można opisać ruch obrotowy ze stałym przyspieszeniem ε poprzez analogię do ruchu postępowego jednostajnie zmiennego.

Informatyka kwantowa. Zaproszenie do fizyki. Zakład Optyki Nieliniowej. wykład z cyklu. Ryszard Tanaś. mailto:tanas@kielich.amu.edu.

W praktyce często zdarza się, że wyniki obu prób możemy traktować jako. wyniki pomiarów na tym samym elemencie populacji np.

SPRAWDZANIE PRAWA MALUSA

Sprawozdanie powinno zawierać:

Funkcje i charakterystyki zmiennych losowych

Seminarium: Efekty kwantowe w informatyce

MATEMATYKA POZIOM ROZSZERZONY Kryteria oceniania odpowiedzi. Arkusz A II. Strona 1 z 5

Pomiar mocy i energii

Proste modele ze złożonym zachowaniem czyli o chaosie

OGÓLNE PODSTAWY SPEKTROSKOPII

Diagnostyka układów kombinacyjnych

Zaawansowane metody numeryczne

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 6

Protokół teleportacji kwantowej

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

BADANIA OPERACYJNE. Podejmowanie decyzji w warunkach niepewności. dr Adam Sojda

termodynamika fenomenologiczna p, VT V, teoria kinetyczno-molekularna <v 2 > termodynamika statystyczna n(v) to jest długi czas, zachodzi

Różniczkowalność, pochodne, ekstremum funkcji. x 2 1 x x 2 k

Algorytm Grovera. Kwantowe przeszukiwanie zbiorów. Robert Nowotniak

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 6

Prawdopodobieństwo geometryczne

Definicje ogólne

Analiza danych OGÓLNY SCHEMAT. Dane treningowe (znana decyzja) Klasyfikator. Dane testowe (znana decyzja)

Systemy Ochrony Powietrza Ćwiczenia Laboratoryjne

Kwantowa natura promieniowania elektromagnetycznego

Kodowanie informacji. Instytut Informatyki UWr Studia wieczorowe. Wykład nr 2: rozszerzone i dynamiczne Huffmana

Metody gradientowe poszukiwania ekstremum. , U Ŝądana wartość napięcia,

65120/ / / /200

KRZYWA BÉZIERA TWORZENIE I WIZUALIZACJA KRZYWYCH PARAMETRYCZNYCH NA PRZYKŁADZIE KRZYWEJ BÉZIERA

Statystyka Inżynierska

Badanie współzależności dwóch cech ilościowych X i Y. Analiza korelacji prostej

KURS STATYSTYKA. Lekcja 6 Regresja i linie regresji ZADANIE DOMOWE. Strona 1

Twierdzenie Bezouta i liczby zespolone Javier de Lucas. Rozwi azanie 2. Z twierdzenia dzielenia wielomianów, mamy, że

3. ŁUK ELEKTRYCZNY PRĄDU STAŁEGO I PRZEMIENNEGO

Stanisław Cichocki. Natalia Nehrebecka. Wykład 6

Pattern Classification

WikiWS For Business Sharks


Wykład Efekt Joule a Thomsona

Analiza danych. Analiza danych wielowymiarowych. Regresja liniowa. Dyskryminacja liniowa. PARA ZMIENNYCH LOSOWYCH

Wstęp do metod numerycznych Faktoryzacja SVD Metody iteracyjne. P. F. Góra

Ćwiczenie 2. Parametry statyczne tranzystorów bipolarnych

0 0,2 0, p 0,1 0,2 0,5 0, p 0,3 0,1 0,2 0,4

TRANZYSTOR BIPOLARNY CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE

Modelowanie i obliczenia techniczne. Metody numeryczne w modelowaniu: Optymalizacja

SYSTEMY UCZĄCE SIĘ WYKŁAD 7. KLASYFIKATORY BAYESA. Dr hab. inż. Grzegorz Dudek Wydział Elektryczny Politechnika Częstochowska.

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

AERODYNAMICS I WYKŁAD 6 AERODYNAMIKA SKRZYDŁA O SKOŃCZONEJ ROZPIĘTOŚCI PODSTAWY TEORII LINII NOŚNEJ

Wykład 1 Zagadnienie brzegowe liniowej teorii sprężystości. Metody rozwiązywania, metody wytrzymałości materiałów. Zestawienie wzorów i określeń.

AUTOMATYKA I STEROWANIE W CHŁODNICTWIE, KLIMATYZACJI I OGRZEWNICTWIE L3 STEROWANIE INWERTEROWYM URZĄDZENIEM CHŁODNICZYM W TRYBIE PD ORAZ PID

Historia. Zasada Działania

Energia potencjalna jest energią zgromadzoną w układzie. Energia potencjalna może być zmieniona w inną formę energii (na przykład energię kinetyczną)

Realizacja logiki szybkiego przeniesienia w prototypie prądowym układu FPGA Spartan II

Peter W. Shor - Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer. 19 listopada 2004 roku

Kryptografia kwantowa. Marta Michalska

Problemy jednoczesnego testowania wielu hipotez statystycznych i ich zastosowania w analizie mikromacierzy DNA

DIAGNOSTYKA WYMIENNIKÓW CIEPŁA Z UWIARYGODNIENIEM WYNIKÓW POMIARÓW EKPLOATACYJNYCH

MECHANIKA 2 MOMENT BEZWŁADNOŚCI. Wykład Nr 10. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Stanisław Cichocki Natalia Nehrebecka. Zajęcia 4

Fizyka cząstek elementarnych

Zadanie na wykonanie Projektu Zespołowego

WSPOMAGANE KOMPUTEROWO POMIARY CZĘSTOTLIWOŚCI CHWILOWEJ SYGNAŁÓW IMPULSOWYCH

bity kwantowe zastosowania stanów splątanych

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

Planowanie eksperymentu pomiarowego I

Transkrypt:

Komputer kwantowy Zasady funkcjonowana Dr hab. nż. Krzysztof Garo Poltechnka Gdańska Wydzał ETI

Oblczena kwantowe. R. Feynman [985] symulację zachowana układu kwantowego należy przeprowadzć na "maszyne" kwantowej. D. Deutsch [985,989] modele oblczeń: kwantowa maszyna Turnga "seć" q bramek. P. Shor [995] perwszy kwantowy algorytm: faktoryzacja. Czas O(n 3 ). L. Grover [996] wyszukwane spośród N elementów jednego o pewnej własnośc. Lczba sprawdzeń O(N / ).

Kryptografa kwantowa. Protokoły zdalnego uzgadnana klucza. Użytkowncy A B chcą ustalć wspólny losowy cąg bnarny (klucz) mogący posłużyć do bezpecznego kodowana korespondencj transmtowanej kanałem publcznym. Zasady fzyk kwantowej gwarantują poufność (podsłuch wykluczony) ewentualna ngerencja osoby trzecej wprowadza obserwowalne zaburzene wdoczne dla A B. BB84: C. Bennett, G. Brassard [984] Z wykorzystanem stanów splątanych, A. Ekert [99] Perwsze zastosowana komercyjne Bty reprezentują dwa rodzaje polaryzacj fotonów przesyłanych śwatłowodam. Obecny zasęg rzędu km.

Fzyka klasyczna a kwantowa Fzyka klasyczna zgodna z ntucją wzja śwata, determnzm: dalsze losy cząstk są jednoznaczne wyznaczone przez jej beżące położene pęd. Fzyka kwantowa prawa natury okazują swój necodzenny, probablstyczny charakter, zasada neoznaczonośc (Hesenberg):. ne można jednocześne wyznaczyć położena pędu cząstk,. ne ma delkatnych pomarów, obserwacja zaburza układ 3. uzyskwane wynk mają charakter losowy.

Fzyka klasyczna a kwantowa Przykład. Ruch cząstk w zewnętrznym polu. Obraz klasyczny: Obraz kwantowy: współrzędne (x,x,x 3 ), zespolona funkcja ch wartośc zmenają sę falowa (x,x,x 3 ), w czase zgodne z zmena sę ona w czase równanam ruchu zgodne z równanem (determnzm). Schrödngera (determnzm). x t,,3. V ( x, x x, x 3 m ), t h H (x,x,x 3 ) gęstość prawdopodobeństwa wykryca cząstk w punkce (losowość).

Stan układu kwantowego, przestrzeń stanów Postulat I. Z układem fzycznym zwązana jest tzw. przestrzeń Hlberta: przestrzeń lnowa nad całem lczb zespolonych z loczynem skalarnym. = * c +d =c +d = = b a b = a b cos = = a x b x +a y b y +a z b z a Iloczyn skalarny określa normę (długość) wektora : = /. Wektory, są ortogonalne ( ), gdy =.

Stan układu kwantowego, przestrzeń stanów Postulat I.... Układ może przyjmować stany będące wektoram jednostkowym jego przestrzen stanów. Przykład. Funkcje falowe cząstek. Przestrzeń L tworzą funkcje (x,x,x 3 ) całkowalne z kwadratem. Iloczyn skalarny = R3 [ (x,x,x 3 )*] (x,x,x 3 ) dx dx dx 3.

Stan układu kwantowego, przestrzeń stanów Przykład. Oblczena kwantowe przeprowadza sę wyłączne w przestrzenach skończonego wymaru! Układy o skończene wymarowej przestrzen stanów. Przestrzeń C n tworzą n tk zespolone. c c... c n Baza standardowa:..., d d...,..., n... d n Operacje lnowe: c c... c c... c cc cc... n cc n c c... c n j j n n d d... d n * c j d j c j c c... c n d d d n

Stan układu kwantowego, przestrzeń stanów Postulat II. Ewolucja czasowa zolowanego układu kwantowego jest determnstyczna. Zmany stanu w czase opsuje operator U(t):L L (t) = U(t) () jest on lnowy: U(t)(c +d ) = cu(t) +du(t) untarny (ne zmena loczynu skalarnego): U(t) U(t) =

Stan układu kwantowego, przestrzeń stanów Postulat III. Pomar kwantowy. Badamy pewną welkość fzyczną. Każdej możlwej jej wartośc w odpowada lnowa podprzestrzeń stanów W L, dla których welkość ta ma określoną wartość równą w, przestrzene odpowadające różnym wartoścom w są prostopadłe (W W j ), w j

Stan układu kwantowego, przestrzeń stanów Postulat III. Pomar kwantowy.... nech stan = +, gdze W, W. Dokonany przez obserwatora pomar welkośc fzycznej zwróc wynk w z prawdopodobeństwem równym, następuje wtedy przeskok kwantowy. W. Stany ortogonalne są całkowce rozróżnalne.

Bty bramk kwantowe Bt kwantowy (qbt) układ kwantowy o dwuwymarowej przestrzen stanów, konkretny stan takego układu, wektor z C. Stany bazowe:, oczywśce. Dopuszczalnym stanem btu kwantowego jest dowolny wektor jednostkowy ( + =)

Bty bramk kwantowe Bt kwantowy (qbt) Dopuszczalnym stanem btu kwantowego jest dowolny wektor jednostkowy ( + =) Pomar stanu qbtu przez obserwatora: prawdopodobeństwo odczytana dla qbtu w stane ( przeskok ) wynos =. dla prawdopodobeństwo przeskoku wynos =.

Bty bramk kwantowe Co można robć z btam kwantowym? Łączyć w rejestry kwantowe. Postulat IV. Układ złożony. Jeśl podukład I ma przestrzeń stanów o k wymarach a podukład II o l wymarach, to przestrzeń stanów układu złożonego z obu tych częśc ma wymar kl. Przykład. Stan układu złożonego wyznaczamy za pomocą tzw. loczynu tensorowego. Jeśl =[c,...,c k ] T, =[d,...,d l ] T, to całość jest w stane =[c T,...,c k T ] T = = [c d, c d,..., c d l, c d, c d,..., c d l,... c k d, c k d,...,c k d l ] T.

Bty bramk kwantowe Rejestr btowy ma 4 wymarową przestrzeń stanów. Baza: Stan rejestru ma postać: ( + + + =),,, Co można robć z btam kwantowym? Łączyć w rejestry kwantowe. Jak jest stan rejestru jako całośc? Przykład. Rozważamy dwa q bty w stanach:,

Bty bramk kwantowe Rejestr n btowy ma n wymarową przestrzeń stanów. Baza,,..., n, przy czym: = n n... = ( j {,}) pozycja pozycja pozycja pozycja n pozycja n gdze jest lczbą o kolejnych btach rozwnęca dwójkowego: n, n,...,.

Bty bramk kwantowe Jeden stan może być lnową superpozycją welu różnych klasyczne rozumanych wartośc rejestru:... n...... n n Pomar wszystkch btów rejestru zwróc lczbę z prawdopodobeństwem (przeskok ).

Bty bramk kwantowe Przykład. Stan EPR (Ensten-Podolsky-Rosen) ( ) E P R Merzymy drug bt rejestru. wartośc odpowada podprzestrzeń rozpęta na,, wartośc odpowada podprzestrzeń rozpęta na,.?? Z prawd. ½ uzyskujemy ( + ), z prawd. ½ otrzymamy ( + ). Wynk losowy, ale zawsze oba bty ustawą sę jednakowo!

Bty bramk kwantowe Proces fzyczny przekształca stany według pewnego operatora U(t). Jest on lnowy untarny. Bramka kwantowa ustalone zjawsko fzyczne mające wpływ na jeden lub klka btów rejestru kwantowego, dowolny lnowy operator untarny dzałający w przestrzen stanów klku q btów. Przykład. Negacja klasyczna NOT =, NOT =, NOT

Bty bramk kwantowe Przykład. Tego klasyczne zrobć sę ne da: NOT NOT NOT NOT Przykład. Bramka Hadamarda Hd Hd Hd ( ( ) ) ( {,}) Hd =Id

Bty bramk kwantowe Przykład. Bramka qbtowa CN. CN NOT Czyl dla x,y {,} mamy CN x,y = = x,x y. Przykład. Najprostszy program kwantowy. Jak zrealzować zamanę stanu dwóch q qbtów? SWAP = SWAP NOT NOT NOT

Bty bramk kwantowe Ogranczena bramek kwantowych lnowość, untarność, untarność mplkuje odwracalność. Przykład. (Non Clone Theorem). Ne można kopować neznanego stanu jednego qbtu na drug. Copy = dla wszystkch C. Dowód. Copy Copy ( + ) = = Copy + Copy = +

Algorytm kwantowy Struktura procedury kwantowej.. Oblczena prowadzone są w rejestrze złożonym z q btów (podrejestry: wejścowy, wyjścowy, pomocnczy) start=.......... Wprowadzene danych n= dana...... 3. Układ poddajemy dzałanu pewnej ser bramek kwantowych stop= j j dana wynk j resztk j 4. Pomar wartośc btów (algorytm probablstyczny) out= dane wynk j resztk j

Algorytm kwantowy Na czym polega sła algorytmów kwantowych? n= dana...... (3) stop= j j dana wynk j resztk j Lnowość algorytmu kwantowe zrównoleglene n, = ( dana )...... (3) stop, = j,j dana wynk,j resztk,j W tym samym czase możemy przeprowadzć operacje oblczenowe tak dla jednej danej wejścowej, jak dla superpozycj welu różnych wejść! Problem: jak odzyskać rezultaty z superpozycj???

Algorytm Grovera Problem: Dany jest zbór Q o rozmarze Q =N= n oblczalna f:q {,} taka, że q f(q)=. funkcja Znajdź ten unkalny element q Q. Algorytm probablstyczny Grovera znajduje element z prawdopodobeństwem wększym od /N wykonując oblczene wartośc funkcj f tylko O(N / ) razy. Algorytm klasyczny wymagałby (N) sprawdzeń.

Algorytm Grovera Rejestr n btowy przechowuje numery elementów z Q.. Ustaw rejestr w stane wyzerowanym pocz= n n... =. Wykonaj na każdym jego bce bramkę Hadamarda Hd [ ( )]... [ do rejestru wpsalśmy superpozycję wszystkch możlwych numerów n-btowych! ( )] N N

Algorytm Grovera Rejestr n btowy przechowuje numery elementów z Q. [ ( )]... [ ( )] N N 3. Powtarzaj kolejne teracje: gdze operatory: =, k+=ba k A = q q, B = 4. Zakończ dla k= /4arcsn(N / ) N / /4. Zmerz wartośc btów rejestru odczytując szukane q.

Algorytm Grovera Jak dzałają A, B? ) ( ) ( N f N A ) ( ) ( N sred N N j N N j N N B q A q B q Dlaczego algorytm Grovera dzała? k ta teracja: a k współczynnk przy q b k współczynnk przy, q. a =b =/N /. a k+ = ( /N)a k + ( /N)b k b k+ = ( /N)a k + ( /N)b k

Algorytm Grovera Dlaczego algorytm Grovera dzała? Rozwązane rekursj: a k =sn[(k+)arcsn(n / )] sn((k+)/n / ) b k = (N ) / cos[(k+)arcsn(n / )] Współczynnk a k przy szukanym q zachowuje sę jak snusoda. Należy przerwać pętlę z chwlą, gdy zblżymy sę do perwszego maksmum, tj. k= N / /4. Fakt. Prawdopodobeństwo sukcesu dla pomaru wykonanego po k teracjach algorytmu Grovera spełna a k > /N.

Algorytm Grovera Przeps na operator A: Wykorzystujemy dodatkowy q bt, algorytm oblczający f U f x = x f (x) oraz bramkę jednobtową z z z =, z = Stosując kolejno na x : U f, z na q bce pomocnczym, U f uzyskamy ( ) f(x) x.

Algorytm Grovera Przeps na B: B=Hd (n) R Hd (n), gdze Hd (n) to bramka Hd wykonana na każdym z n btów, a R dzałająca na cały rejestr ma postać: R Koszt jednej teracj: użyto O(n) bramek kwantowych oraz dwukrotne oblczono funkcję f (algorytm U f ).