Розділ 5.3: Квантові ворота та квантові схеми

Квантові ворота та квантові схеми є фундаментальними будівельними блоками квантових обчислень. Квантовий шлюз — це унітарна операція, яка діє на один або декілька кубітів, базову одиницю квантової інформації. Квантові схеми створюються шляхом з’єднання цих вентилів разом для виконання обчислень.

Концепцію квантових воріт вперше представив Юрій Манін у 1980 році. У 1985 році Девід Дойч запропонував універсальний квантовий комп’ютер, який міг би виконувати будь-які обчислення, які може виконувати класичний комп’ютер, але з експоненціальним прискоренням для певних завдань.

Одним із найперших і найважливіших квантових воріт є ворота Адамара, які використовуються для створення станів суперпозиції. Вперше він був запропонований В. А. Ковальовим у 1955 році, а пізніше відкрито кількома іншими. Ворота CNOT (контрольоване НЕ) є ще одним важливим квантовим воріт, який використовується для реалізації квантових алгоритмів, таких як алгоритм Шора для факторизації великих чисел.

Квантові схеми можна представити графічно за допомогою схеми, подібної до класичних цифрових схем. У 1995 році Річард Фейнман запропонував ідею квантового симулятора, квантового комп’ютера, який міг би моделювати поведінку інших квантових систем. Це призвело до розробки симуляторів квантових схем, які використовуються для тестування та налагодження квантових алгоритмів.

Сьогодні існує кілька програмних інфраструктур, доступних для проектування та моделювання квантових схем, включаючи IBM Qiskit, Google Cirq і Microsoft Q#. Ці фреймворки надають інструменти для побудови та запуску квантових схем на реальному квантовому обладнанні чи симуляторах.

В останні роки було продемонстровано декілька експериментальних реалізацій квантових вентилів і схем у різних фізичних системах, включаючи надпровідні кубіти, захоплені іони та фотонні системи. Ці експериментальні зусилля прокладають шлях до створення практичних квантових комп’ютерів, які можуть вирішувати реальні проблеми з безпрецедентною швидкістю та ефективністю.