Calculator cuantic

Un computer cuantic este un dispozitiv de calcul care folosește fenomenele mecanicii cuantice ( suprapoziție cuantică , entanglement cuantic ) pentru a transmite și procesa date. Un computer cuantic (spre deosebire de unul convențional) funcționează nu cu biți (capabili să preia valoarea fie 0, fie 1), ci cu qubiți care au valori de 0 și 1 în același timp. Teoretic, acest lucru permite procesarea toate stările posibile simultan, realizând un avantaj semnificativ ( superioritate cuantică ) față de computerele obișnuite într-un număr de algoritmi [1] .

Un computer cuantic universal cu drepturi depline este încă un dispozitiv ipotetic , însăși posibilitatea de a construi care este asociată cu o dezvoltare serioasă a teoriei cuantice în domeniul multor particule și experimente complexe; evoluțiile din acest domeniu sunt asociate cu cele mai recente descoperiri și realizări ale fizicii moderne . La sfârșitul anilor 2010 au fost implementate practic doar câteva sisteme experimentale, executând algoritmi fiși de complexitate redusă.

Primul limbaj practic de programare de nivel înalt pentru acest tip de computer este Quipper , bazat pe Haskell [2] (vezi Programarea cuantică ).

Introducere

Istoria calculului cuantic a început la începutul anilor 1980, când fizicianul Paul Benioff a propus un model mecanic cuantic al mașinii Turing în 1980.

Ideea calculului cuantic a fost exprimată și de Yuri Manin în 1980 [3] .

Unul dintre primele modele de computer cuantic a fost propus [4] de Richard Feynman în 1981. Curând Paul Benioff a descris baza teoretică pentru construirea unui astfel de computer [5] .

De asemenea, conceptul de computer cuantic a fost propus în 1983 de Steven Wiesner într-un articol pe care încercase să-l publice cu mai bine de un deceniu înainte [6] [7] .

Necesitatea unui computer cuantic apare atunci când încercăm să studiem sisteme complexe cu mai multe particule similare cu cele biologice folosind metodele fizicii. Spațiul stărilor cuantice ale unor astfel de sisteme crește ca exponențial din numărul de particule reale care le alcătuiesc, ceea ce face imposibilă modelarea comportamentului lor pe computerele clasice deja pentru . Prin urmare, Wiesner și Feynman au exprimat ideea de a construi un computer cuantic. $n$ $n=10$

Un computer cuantic nu folosește algoritmi obișnuiți (clasici) pentru calcul, ci procese de natură cuantică, așa-numiții algoritmi cuantici , folosind efecte mecanice cuantice , cum ar fi paralelismul cuantic și întanglementarea cuantică .

Dacă un procesor clasic se poate afla în exact una dintre stări în fiecare moment ( notația Dirac ), atunci un procesor cuantic se află simultan în toate aceste stări de bază în fiecare moment, iar în fiecare stare are propria sa amplitudine complexă . Această stare cuantică se numește o „ suprapunere cuantică ” a stărilor clasice date și este desemnată ca $|0\rangle ,|1\rangle ,\ldots ,|N-1\rangle$ $|j\rangle$ $\lambda _{j}$

|\Psi \rangle =\sum \limits _{{j=0}}^{{N-1}}\lambda _{j}|j\rangle .

Stările de bază pot avea și o formă mai complexă. Apoi , suprapunerea cuantică poate fi ilustrată, de exemplu, după cum urmează: „Imaginați-vă un atom care ar putea suferi dezintegrare radioactivă într-o anumită perioadă de timp. Sau să nu fii expus. Ne putem aștepta ca acest atom să aibă doar două stări posibile: „dezintegrare” și „non-dezintegrare”, <...> dar în mecanica cuantică, un atom poate avea un fel de stare combinată - „dezintegrare-non-decădere”, adică , nici una, nici alta , ci intre. Această stare se numește „suprapunere”” [8] .

O stare cuantică se poate schimba în timp în două moduri fundamental diferite: $|\psi\rangle$

Operație cuantică unitară (poarta cuantică, poarta cuantică în engleză ), denumită în continuare pur și simplu o operație.
Măsurarea (observarea).

Dacă stările clasice sunt pozițiile spațiale ale unui grup de electroni în puncte cuantice controlate de un câmp extern , atunci operația unitară este soluția ecuației Schrödinger pentru acest potențial. $|j\rangle$ $V$

O măsurătoare este o variabilă aleatorie care ia valori cu probabilități, respectiv. Aceasta este regula Born a mecanicii cuantice . Măsurarea este singura modalitate de a obține informații despre o stare cuantică, deoarece valorile ne sunt direct inaccesibile. Măsurarea unei stări cuantice nu poate fi redusă la o evoluție Schrödinger unitară, întrucât, spre deosebire de aceasta din urmă, este ireversibilă. La măsurare, are loc așa-numita prăbușire a funcției de undă , a cărei natură fizică nu este complet clară. Măsurătorile spontane ale stării dăunătoare în timpul calculului duc la decoerență, adică la abaterea de la evoluția unitară, care este principalul obstacol în construirea unui computer cuantic (vezi implementările fizice ale calculatoarelor cuantice ). $|j\rangle ,\ j=0,1,\ldots ,N-1$ $|\lambda _{j}|^{2}$ $\lambda _{j}$ $|\psi\rangle$

Calculul cuantic este o secvență de operații unitare de tip simplu controlate de un computer de control clasic (pe unul, doi sau trei qubiți ). La sfârșitul calculului, se măsoară starea procesorului cuantic, ceea ce dă rezultatul dorit al calculului.

Conținutul conceptului de „paralelism cuantic” în calcul poate fi dezvăluit după cum urmează: „Datele din procesul de calcul sunt informații cuantice, care la sfârșitul procesului sunt convertite în informații clasice prin măsurarea stării finale a registrului cuantic. . Câștigul în algoritmi cuantici se realizează datorită faptului că la aplicarea unei operații cuantice, un număr mare de coeficienți de suprapunere a stărilor cuantice, care în formă virtuală conțin informații clasice, se transformă simultan” [9] .

Teorie

Qubit

Ideea calculului cuantic este că un sistem cuantic de L elemente cuantice cu două niveluri (biți cuantici, qubiți ) are 2 L stări liniar independente, ceea ce înseamnă că, datorită principiului suprapunerii cuantice , spațiul de stări al unui astfel de registrul cuantic este un spațiu Hilbert cu 2 dimensiuni L. O operație în calculul cuantic corespunde cu rotirea vectorului de stare al unui registru în acest spațiu. Astfel, un dispozitiv de calcul cuantic cu dimensiunea de L qubiți utilizează de fapt 2 L stări clasice simultan.

Sistemele fizice care implementează qubiții pot fi orice obiecte care au două stări cuantice: stări de polarizare ale fotonilor , stări electronice ale atomilor sau ionilor izolați , stări de spin ale nucleelor atomice și așa mai departe.

Un bit clasic poate fi într-una și numai una dintre stări sau . Un bit cuantic, numit qubit, este în starea , astfel încât | a |² și | b |² sunt probabilitățile de a obține 0 sau, respectiv, 1, la măsurarea acestei stări; ; | a |² + | b |² = 1. Imediat după măsurare, qubitul intră în starea cuantică de bază corespunzătoare rezultatului clasic. $|0\gamă$ $|1\gamă$ $|\psi \rangle =a\,|0\rangle +b\,|1\rangle$ $a,b\in \mathbb {C}$

Exemplu:

Există un qubit într-o stare cuantică

{\tfrac {4}{5}}\,|0\rangle -{\tfrac {3}{5}}\,|1\rangle

În acest caz, probabilitatea de a obține la măsurare

0	este	(4/5)² = 16/25	= 0,64,
unu	este	(−3/5)² = 9/25	= 0,36.

În acest caz, la măsurare, am obținut 0 cu o probabilitate de 0,64. Ca rezultat al măsurării, qubitul intră într-o nouă stare cuantică , adică data viitoare când acest qubit este măsurat, vom obține 0 cu probabilitate unitară (se presupune că, implicit, operația unitară este identică; în sistemele reale aceasta este nu întotdeauna este cazul).

|0\gamă

Un exemplu din mecanica cuantică: un foton se află într-o stare de suprapunere a două polarizări. Această stare este un vector într-un plan bidimensional, sistemul de coordonate în care poate fi reprezentat ca două axe perpendiculare, deci există proiecții pe aceste axe; măsurarea o dată pentru totdeauna prăbușește starea fotonului într-una dintre stările sau , iar probabilitatea de colaps este egală cu pătratul proiecției corespunzătoare. Probabilitatea totală se obține din teorema lui Pitagora . La trecerea la un sistem de doi qubiți, măsurarea fiecăruia dintre ei poate da 0 sau 1. Prin urmare, sistemul are 4 stări clasice: 00, 01, 10 și 11. Stări cuantice de bază asemănătoare acestora: . Și în sfârșit, starea cuantică generală a sistemului are forma . Acum | a |² este probabilitatea de a măsura 00 etc. Rețineți că | a |² + | b |² + | c |² + | d |² = 1 ca probabilitate totală. $|\psi\rangle$ $A$ $b$ $|\psi\rangle$ $|0\gamă$ $|1\gamă$ $|00\rangle ,|01\rangle ,|10\rangle ,|11\rangle$ $|\Psi \rangle =a\,|00\rangle +b\,|01\rangle +c\,|10\rangle +d\,|11\rangle$

Dacă măsurăm doar primul qubit al unui sistem cuantic în starea , obținem: $|\psi\rangle$

cu probabilitate primul qubit va merge la stare , iar al doilea - la stare , $p_{0}=|a|^{2}+|b|^{2}$ $|0\gamă$ ${\tfrac {1}{\sqrt {|a|^{2}+|b|^{2))))(a\,|0\rangle +b\,|1\rangle )$
cu probabilitate primul qubit va merge la starea , iar al doilea — la starea . ${\displaystyle p_{1}=|c|^{2}+|d|^{2))$ $|1\gamă$ ${\tfrac {1}{\sqrt {|c|^{2}+|d|^{2))))(c\,|0\rangle +d\,|1\rangle )$

În primul caz, măsurarea va da starea , în al doilea, starea . $|\Psi _{0}\rangle =|0\rangle \otimes {\tfrac {1}{\sqrt {|a|^{2}+|b|^{2)}))(a\ ,|0\rangle +b\,|1\rangle )$ $|\Psi _{1}\rangle =|1\rangle \otimes {\tfrac {1}{\sqrt {|c|^{2}+|d|^{2)}))(c\ ,|0\rangle +d\,|1\rangle )$

Rezultatul unei astfel de măsurători nu poate fi scris ca vector în spațiul de stări Hilbert . O astfel de stare, în care este implicată ignoranța noastră cu privire la rezultatul primului qubit, se numește stare mixtă . În cazul nostru, o astfel de stare mixtă se numește proiecția stării inițiale pe al doilea qubit și este scrisă ca o matrice de densitate de forma , unde matricea de densitate a stării este definită ca . $|\psi\rangle$ $\rho _{2}=p_{0}\rho _{\Psi _{0}}+p_{1}\rho _{\Psi _{1}}$ $|\psi\rangle$ $|\psi \rangle \langle \psi |$

În general, un sistem de L qubiți are 2 L stări clasice (00000… ( L zerouri), …00001 ( L cifre), … , 11111… ( L ones)), fiecare dintre acestea putând fi măsurată cu probabilități 0–1.

Astfel, o operație pe un grup de qubiți este calculată imediat peste toate valorile sale posibile, spre deosebire de un grup de biți clasici, când poate fi utilizată o singură valoare curentă. Acest lucru oferă un paralelism fără precedent al calculelor.

Calcul

O schemă de calcul simplificată pe un computer cuantic arată astfel: este luat un sistem de qubiți , pe care este înregistrată starea inițială. Apoi starea sistemului sau a subsistemelor sale este modificată prin intermediul transformărilor unitare care efectuează anumite operații logice . La final, valoarea este măsurată, iar acesta este rezultatul computerului. Rolul firelor unui calculator clasic este jucat de qubiți , iar rolul blocurilor logice ale unui computer clasic este jucat de transformări unitare . Un astfel de concept de procesor cuantic și porți logice cuantice a fost propus în 1989 de David Deutsch . De asemenea, David Deutsch în 1995 a găsit un bloc logic universal cu ajutorul căruia poți efectua orice calcul cuantic.

Se pare că două operații de bază sunt suficiente pentru a construi orice calcul. Sistemul cuantic dă un rezultat care este corect doar cu o anumită probabilitate. Dar datorită unei mici creșteri a operațiunilor din algoritm, puteți aduce în mod arbitrar probabilitatea de a obține rezultatul corect la unul.

Cu ajutorul operațiilor cuantice de bază, este posibilă simularea funcționării elementelor logice obișnuite, din care sunt făcute calculatoarele obișnuite. Prin urmare, orice problemă care este rezolvată acum, orice computer cuantic o va rezolva, și aproape în același timp [10] .

Majoritatea calculatoarelor moderne funcționează în același mod: n biți de stare de stocare a memoriei și sunt modificați de procesor la fiecare ciclu de ceas. În cazul cuantic, un sistem de n qubiți se află într-o stare care este o suprapunere a tuturor stărilor de bază, astfel încât schimbarea sistemului afectează toate cele 2n stări de bază simultan. Teoretic, noua schemă poate funcționa mult (de un număr exponențial de ori) mai rapid decât cea clasică. În practică, de exemplu, algoritmul de căutare a bazelor de date cuantice al lui Grover arată câștiguri de putere pătratice față de algoritmii clasici.

Algoritmi

Algoritmi cuantici de bază:

Algoritmul lui Grover : vă permite să găsiți o soluție la o ecuație în timp ; $f(x)=1,\ 0\leqslant x<N$ $O({\sqrt {N)))$
Algoritmul lui Shor : vă permite să factorizați un număr natural n în factori primi în timp polinomial în log  n ;
algoritmul Zalka-Wiesner face posibilă simularea evoluției unitare a unui sistem cuantic de particule în timp aproape liniar folosind qubiți; $n$ $Pe)$
algoritmul Deutsch-Joji vă permite să determinați „într-un singur calcul” dacă funcția variabilei binare f ( n ) este constantă ( f 1 ( n ) = 0, f 2 ( n ) = 1 indiferent de n ) sau „echilibrat " ( f 3 ( 0) = 0, f 3 (1) = 1, f 4 (0) = 1, f 4 (1) = 0);
Algoritmul lui Simon rezolvă problema cutiei negre exponențial mai rapid decât orice algoritm clasic, inclusiv algoritmii probabilistici.

S-a demonstrat că nu orice algoritm este capabil de „accelerare cuantică”. Mai mult, posibilitatea de a obține o accelerație cuantică pentru un algoritm clasic arbitrar este foarte rară [11] .

Un exemplu de implementare a operațiunii CNOT asupra stărilor de încărcare ale unui electron în puncte cuantice

Orice operație cuantică poate fi implementată utilizând o poartă logică de negație controlată ( CNOT ) și inversând starea unui singur qubit [12] [13] .

Un qubit poate fi reprezentat ca un electron într-un potențial dublu godeu, ceea ce înseamnă că se află în sondele din stânga și din dreapta. Acesta se numește qubit de stare de încărcare. Vedere generală a stării cuantice a unui astfel de electron: . Dependenţa sa de timp este dependenţa de timp a amplitudinilor ; este dat de ecuația Schrödinger de forma , unde , datorită aceluiași tip de puțuri și Hermitianity , Hamiltonianul are forma pentru o constantă , astfel încât vectorul este vectorul propriu al acestui Hamiltonian cu valoarea proprie 0 (așa- numită stare fundamentală) și este vectorul propriu cu valoarea (prima stare excitată ). Nu există alte stări proprii (cu o anumită valoare energetică) aici, deoarece problema noastră este bidimensională. $|0\gamă$ $|1\gamă$ $|\Psi \rangle =\lambda _{0}|0\rangle +\lambda _{1}|1\rangle$ $\lambda _{0},\lambda _{1)$ $i\hbar {\tfrac {\partial }{\partial t)}\Psi =H\Psi$ $H$ ${\begin{pmatrix}a&-a\\-a&a\end{pmatrix}}$ $A$ $|{\tilde {0}}\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2}}}(|0\rangle +|1\rangle )$ $|{\tilde {1}}\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {2}}}(|0\rangle -|1\rangle )$ $2a$

Deoarece fiecare stare trece în timp la starea , atunci pentru a implementa operația NOT (tranziția și invers, este suficient doar să așteptați timpul . Adică operația NOT este implementată pur și simplu prin evoluția cuantică naturală a qubitului , cu condiția ca potențialul extern să specifice o structură cu două godeuri; acest lucru se realizează folosind tehnologia punctului cuantic. $|\psi\rangle$ $t$ $\lambda _{0}\exp(0t)|{\tilde {0}}\rangle +\lambda _{1}\exp(-2at/\hbar )|{\tilde {1}}\rangle$ $|0\rangle \la |1\rangle$ $t=\pi \hbar /(2a)$

Pentru a implementa CNOT , doi qubiți (adică două perechi de puțuri) trebuie plasați perpendicular unul pe celălalt și fiecare dintre ei trebuie să aibă un electron separat. Apoi, constanta pentru prima pereche (controlabilă) de godeuri va depinde de starea electronului din a doua pereche (de control) de godeuri: dacă este mai aproape de prima, atunci va fi mai mult, dacă mai departe, mai puțin. Prin urmare, starea electronului din a doua pereche determină timpul NOT-ului din primul godeu, ceea ce vă permite să alegeți din nou durata de timp dorită pentru implementarea operației CNOT. $A$ $A$

Această schemă este foarte aproximativă și idealizată; circuitele reale sunt mai complicate și implementarea lor prezintă o provocare pentru fizica experimentală.

Teleportarea cuantică

Algoritmul de teleportare implementează transferul exact al stării unui qubit (sau sistem) la altul. Cea mai simplă schemă folosește 3 qubits: un qubit teleportabil și o pereche încurcată , dintre care un qubit este pe cealaltă parte. Rețineți că, ca urmare a funcționării algoritmului, starea inițială a sursei va fi distrusă - acesta este un exemplu de funcționare a principiului general al imposibilității clonării - este imposibil să se creeze o copie exactă a cuantumului. stare fără a distruge originalul. Nu va fi posibilă copierea unei stări arbitrare , iar teleportarea este un înlocuitor pentru această operațiune.

Teleportarea vă permite să transferați starea cuantică a sistemului utilizând canalele de comunicare clasice convenționale. Astfel, este posibil, în special, să se obțină starea legată a unui sistem format din subsisteme care sunt îndepărtate la o distanță mare. Acest lucru face posibilă construirea unor sisteme de comunicații care, în principiu, nu sunt susceptibile de interceptare (pe segmentul dintre dispozitivele „cuantice”).

Aplicații posibile

Aplicații pentru criptografie

Datorită vitezei enorme de descompunere în factori primi, un computer cuantic va permite decriptarea mesajelor criptate cu algoritmul criptografic RSA utilizat pe scară largă . Până acum, acest algoritm este considerat relativ fiabil, deoarece în prezent nu se cunoaște o modalitate eficientă de factorizare a numerelor în factori primi pentru un computer clasic. Pentru a accesa, de exemplu, un card de credit[ clarificați ] , trebuie să factorizați un număr de sute de cifre lungi în doi factori primi (chiar și pentru supercalculatoare , această sarcină ar dura de sute de ori mai mult decât vârsta universului ). Datorită algoritmului cuantic al lui Shor , această sarcină devine destul de fezabilă dacă este construit un computer cuantic. În acest sens, cercetările privind criptografia post-cuantică , algoritmi criptografici care asigură confidențialitate în fața atacurilor cuantice, prezintă o relevanță deosebită.

Aplicarea ideilor mecanicii cuantice a deschis deja o nouă eră în domeniul criptografiei, întrucât metodele criptografiei cuantice deschid noi posibilități în domeniul transmiterii mesajelor [14] . Prototipuri de sisteme de acest fel sunt în curs de dezvoltare [15] .

Cercetare în inteligența artificială

Învățarea automată cuantică face posibilă manipularea unor cantități mari de date într-o singură trecere și modelarea unei rețele neuronale de dimensiuni exponențiale [16] . În 2013, Google Corporation a anunțat deschiderea unui laborator de cercetare cuantică în domeniul inteligenței artificiale [10] . Grupul Volkswagen efectuează cercetări privind utilizarea calculatoarelor cuantice pentru dezvoltarea unui vehicul fără pilot și a unor noi tipuri de baterii (folosind computerele cuantice Google și D-Wave ). În noiembrie 2018, concernul a anunțat dezvoltarea unui sistem de control al traficului (cu integrarea vehiculelor fără pilot în acesta) care funcționează folosind calculatoare cuantice D-Wave . [17]

Modelare moleculară

Se presupune că cu ajutorul calculatoarelor cuantice va fi posibilă modelarea cu acuratețe a interacțiunilor moleculare și a reacțiilor chimice. Reacțiile chimice sunt de natură cuantică. Pentru calculatoarele clasice, este disponibil calculul comportamentului doar al moleculelor relativ simple [18] . Potrivit experților, simularea pe computere cuantice deschide noi perspective pentru dezvoltarea industriei chimice , în special, în crearea de medicamente [19] .

Implementări fizice ale calculatoarelor cuantice

Construirea unui computer cuantic sub forma unui dispozitiv fizic real este o problemă fundamentală a fizicii secolului XXI. La începutul anului 2018, au fost construite doar versiuni limitate ale unui computer cuantic (cele mai mari registre cuantice construite au câteva zeci de qubiți cuplati [20] [21] [22] ). Există opinii sceptice cu privire la o serie de perspective pentru calculul cuantic:

Implementarea practică a unui computer cuantic se bazează pe manipularea la nivel microscopic și cu o precizie grandioasă a unui sistem fizic multi-element cu grade continue de libertate. Evident, pentru un sistem suficient de mare, cuantic sau clasic, această sarcină devine imposibilă, motiv pentru care astfel de sisteme trec din domeniul fizicii microscopice în domeniul fizicii statistice. Este necesar sistemul de N = 10 3 ÷ 10 5 spini cuantici pentru a depăși un computer clasic în rezolvarea unui număr limitat de probleme speciale, suficient de mare în acest sens? Putem învăța vreodată să controlăm cele 10.300 (cel puțin) amplitudini care determină starea cuantică a unui astfel de sistem? Răspunsul meu este nu, niciodată .

– M. I. Dyakonov , „Vom avea vreodată un computer cuantic?” [23]

Principiile implementării fizice

Principalele tehnologii pentru un computer cuantic:

Punctele cuantice în stare solidă pe semiconductori : fie stările de încărcare (prezența sau absența unui electron la un anumit punct), fie direcția electronului și/sau spin nuclear într-un punct cuantic dat sunt utilizate ca qubiți logici. Control prin potențiale externe sau impuls laser .
Elemente supraconductoare ( joncțiuni Josephson , SQUID , etc.). Prezența/absența unei perechi Cooper într-o anumită regiune spațială este utilizată ca qubiți logici . Control: potențial extern / flux magnetic.
Ioni în capcane Paul (sau atomi în capcane optice ). Starea fundamentală/excitată a electronului exterior din ion este utilizată ca qubiți logici. Control: impulsuri laser clasice de-a lungul axei capcanei sau direcționate către ioni individuali + moduri vibraționale ale ansamblului de ioni. Această schemă a fost propusă în 1994 de Peter Zoller și Juan Ignacio Sirac [13] [24] .
Tehnologii mixte: utilizarea stărilor încurcate de fotoni pregătite în prealabil pentru a controla ansamblurile atomice sau ca comenzi pentru rețelele clasice de calculatoare.
Tehnologii optice: folosind generarea stărilor cuantice de lumină, controlul rapid și reglabil al acestor stări și detectarea lor. [25] [26]

Principalele probleme asociate cu crearea și aplicarea calculatoarelor cuantice:

este necesar să se asigure o precizie ridicată a măsurătorilor;
influențele externe (inclusiv transmiterea rezultatelor obținute) pot distruge sistemul cuantic sau pot introduce distorsiuni în acesta.

Cu cât mai mulți qubiți sunt într-o stare legată, cu atât sistemul este mai puțin stabil. Atingerea „supremației cuantice” necesită un computer cu multe zeci de qubiți cuplati care funcționează stabil și cu puține erori. Întrebarea în ce măsură un astfel de dispozitiv poate fi scalat (așa-numita „problemă de scalare”) este subiectul unui nou câmp în dezvoltare rapidă - mecanica cuantică a mai multor particule . Întrebarea centrală aici este despre natura decoerenței (mai precis, despre colapsul funcției de undă ), care este încă deschisă. Diferite interpretări ale acestui proces pot fi găsite în cărțile [27] [28] [29] .

La începutul secolelor 20-21, multe laboratoare științifice au creat procesoare cuantice cu un singur qubit (în esență, sisteme controlate pe două niveluri în care se putea presupune posibilitatea de scalare la mulți qubiți).

Mostre experimentale

La sfârșitul anului 2001, IBM a anunțat că a testat cu succes un computer cuantic de 7 qubiți implementat folosind rezonanța magnetică nucleară . Pe el a fost executat algoritmul lui Shor și s-au găsit factorii numărului 15 [30] .

În 2005, un grup de Yu. Pashkin (candidat la științe fizice și matematice, cercetător principal la Laboratorul de supraconductivitate din Moscova) cu ajutorul specialiștilor japonezi a construit un procesor cuantic de doi qubiți bazat pe elemente supraconductoare [31] .

În noiembrie 2009, fizicienii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (SUA) au reușit pentru prima dată să asambla un computer cuantic programabil format din doi qubiți [32] .

În februarie 2012, IBM a anunțat progrese semnificative în implementarea fizică a calculului cuantic folosind qubiți supraconductori conectați la microcircuite de siliciu, ceea ce, conform companiei, va permite începerea lucrărilor la crearea unui computer cuantic [33] .

În aprilie 2012, o echipă de cercetători de la University of Southern California , Delft University of Technology , Iowa State University și University of California, Santa Barbara , a reușit să construiască un computer cuantic de doi qubiți pe un cristal de diamant dopat . Calculatorul funcționează la temperatura camerei și este teoretic scalabil. Ca doi qubiți logici, au fost utilizate direcțiile spinului electronului și , respectiv , nucleul de azot . Pentru a oferi protecție împotriva influenței decoerenței, a fost dezvoltat un întreg sistem care a format un impuls de radiație cu microunde de o anumită durată și formă. Cu ajutorul acestui calculator a fost implementat algoritmul lui Grover pentru patru variante de enumerare, ceea ce a făcut posibilă obținerea răspunsului corect la prima încercare în 95% din cazuri [34] [35] .

În iulie 2017, un grup de fizicieni condus de Mikhail Lukin , co-fondator al Centrului cuantic rus și profesor la Universitatea Harvard, a creat un simulator cuantic programabil de 51 de qubiți [36] . Acesta este cel mai complex sistem de acest gen care exista la acea vreme. Autorii au testat performanța simulatorului prin simularea unui sistem complex de multe particule - acest lucru a permis fizicienilor să prezică unele efecte necunoscute anterior [37] . Cam în același timp, un alt grup de oameni de știință de la Universitatea din Maryland , condus de Christopher Monro , a creat un simulator de 53 de qubiți bazat pe ioni într-o capcană optică [38] [39] . Cu toate acestea, ambele sisteme nu sunt un computer universal, ci sunt concepute pentru a rezolva o singură problemă [40] [38] .

În noiembrie 2017, oamenii de știință IBM au construit și testat cu succes un procesor prototip cu 50 de qubiți [41] [42] [43] .

În ianuarie 2018, CEO -ul Intel , Brian Krzanich, a anunțat crearea unui cip cuantic supraconductor, cu numele de cod „Tangle Lake”, cu 49 de qubiți. Conform prognozei sale, calculatoarele cuantice vor ajuta la crearea de medicamente, modelarea financiară și prognoza meteo. Intel dezvoltă computere cuantice în două direcții: crearea de dispozitive bazate pe supraconductori și microcircuite de siliciu cu „spin qubits” [44] [45]

În martie 2018, Google a anunțat că a reușit să construiască un procesor cuantic Bristlecone de 72 de qubiți, cu o probabilitate scăzută de erori de calcul. Compania nu a dezvăluit caracteristicile detaliate ale dispozitivului, dar susține că vă permite să obțineți „superioritatea cuantică”. Potrivit experților Google, pentru ca un computer cuantic să poată rezolva probleme care sunt inaccesibile computerelor „obișnuite”, trebuie îndeplinite următoarele condiții: trebuie să includă cel puțin 49 de qubiți, „adâncimea” ( ing. adâncimea circuitului ) trebuie să depășească 40 de qubiți, iar probabilitatea unei erori într-un element logic de doi qubiți nu trebuie să depășească 0,5%. Reprezentanții companiei și-au exprimat speranța că în viitor vor putea atinge acești indicatori. [46] [47]

În decembrie 2018, a fost anunțată dezvoltarea unui microcip optic, care este planificat să fie utilizat ca parte integrantă a unui computer cuantic în viitor. [25] [26]

În ianuarie 2019, IBM a introdus primul computer cuantic comercial din lume IBM Q System One [48] [49] .

În octombrie 2019, Google a anunțat că a reușit să construiască procesorul cuantic supraconductor Sycamore de 53 de qubiți și a demonstrat „superioritate cuantică” față de computerele convenționale [50] [51] [52] .

În decembrie 2020, cercetătorii de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China au publicat o lucrare în care susținea că computerul lor cuantic Jiuzhang a fost capabil să atingă supremația cuantică. În doar câteva minute, a reușit să realizeze o operațiune care ar fi fost rezolvată în mod tradițional timp de aproximativ două miliarde de ani. Calculatorul funcționează pe baza calculatoarelor cuantice optice (qubiții se bazează pe fotoni) folosind „eșantionarea bosonică”. [53]

În 2021, oamenii de știință chinezi conduși de Pan Jianwei au creat două computere cuantice prototip:

procesor cuantic supraconductor Zu Chongzhi 2.1 cu 66 de qubiți;
Calculatorul cuantic „Jiuzhan-2.0” cu 113 fotoni detectați (qubiți), rezolvând problema eșantionării bosonilor gaussieni de septilioane de ori mai rapid (30 de trilioane de ani pe milisecundă) decât cele mai productive supercalculatoare [54] [55] .

La sfârșitul anului 2021, IBM a introdus noul său procesor cuantic bazat pe qubiți supraconductori, numit Eagle ("Vultur") , care face parte dintr-un program de creare a calculatoarelor super rapide. Noul cip are 127 de qubiți, de două ori mai mare decât procesoarele cuantice IBM anterioare [56] .

Calculatoare adiabatice D-Wave

Din 2007, compania canadiană D-Wave Systems a anunțat crearea diferitelor versiuni ale unui computer cuantic: de la 16-qubit la 2000-qubit. Calculatoarele D-Wave sunt potrivite pentru a rezolva doar o clasă restrânsă de probleme. Unii cercetători și-au exprimat îndoielile că computerele companiei realizează într-adevăr o „accelerare cuantică” semnificativă, totuși, computerele D-Wave (oferite la prețuri de 10-15 milioane USD ) au fost cumpărate de Google , Lockheed Martin și Temporal Defense Systems , precum și de NASA . şi Los Angeles.Laboratorul Naţional Alamos . [57] [58]

În decembrie 2015, experții Google au confirmat că, conform cercetărilor lor, computerul D-Wave folosește efecte cuantice. În același timp, într-un computer de „1000 de qubiți”, qubiții sunt de fapt organizați în grupuri de câte 8 qubiți fiecare. Cu toate acestea, acest lucru a făcut posibilă obținerea unei performanțe de 100 de milioane de ori mai rapidă (comparativ cu un computer convențional) într-unul dintre algoritmi. [59]

În februarie 2022, Centrul de Cercetare Jülich din Germania a lansat un supercomputer cuantic cu peste 5.000 de qubiți. Computerul a fost creat pe baza sistemului canadian D-Wave cu acces la cloud la distanță. Această dezvoltare cuantică este concepută pentru a rezolva problemele de optimizare și eșantionare. Pentru a realiza aplicația comercială a calculului cuantic, centrul german a creat Jülich User Infrastructure for Quantum Computing (JUNIQ) pentru a oferi acces la acest tip de calcul diferitelor grupuri de utilizatori și companii din Europa. [60]

Note

↑ Alexander Ershov. Supremația cuantică // Mecanica populară . - 2018. - Nr 5 . - S. 54-59 .
↑ Sophie Hebden. Noul limbaj îi ajută pe programatorii cuantici să creeze aplicații ucigașe . New Scientist (5 iulie 2014). Preluat la 20 iulie 2014. Arhivat din original la 14 august 2014. (nedefinit)
↑ Manin Yu. I. Calculabil și necalculabil. - M . : Sov. Radio, 1980. - S. 15. - 128 p. - (Cibernetică).
↑ Feynman RP Simularea fizicii cu computerele // International Journal of Theoretical Physics. - 1982. - Vol. 21 , iss. 6 . - P. 467-488 . - doi : 10.1007/BF02650179 . Articolul este textul unui raport la o conferință la MIT în 1981.
↑ P. Benioff. Modele hamiltoniene cuantice mecanice ale mașinilor de turing // Journal of Statistical Physics : jurnal. - 1982. - Vol. 29 , nr. 3 . - P. 515-546 . - doi : 10.1007/BF01342185 . - Cod biblic .
↑ S. Weisner Codare conjugată (engleză) // Association for Computing Machinery , Grup de interes special în algoritmi și teoria calculului. - 1983. - Vol. 15 . - P. 78-88 .
↑ Zelinger A. Dansul fotonilor: de la Einstein la teleportarea cuantică . - New York: Farrar, Straus & Giroux, 2010. - P. 189 , 192. - ISBN 0-374-23966-5 .
↑ Leah Henderson și Vlatko Vedral, Quantum entanglement Arhivat la 15 iunie 2018 la Wayback Machine // Center for Quantum Information and Foundations, Cambridge.
↑ Holevo A. Informatica cuantică: trecut, prezent, viitor // În lumea științei. - 2008. - Emisiune. 7 . (Rusă)
↑ 1 2 Google va crea inteligență artificială pe un computer cuantic Arhivat 17 martie 2017 la Wayback Machine .
↑ Ozhigov Y. Calculatoarele cuantice accelerează clasicul cu probabilitate zero // Chaos Solitons and Fractals, 10 (1999) 1707-1714.
↑ Tycho Sleater, Harald Weinfurter. Porți logice cuantice universale realizabile // Scrisori de revizuire fizică. - 15-05-1995. - T. 74 , nr. 20 . - S. 4087-4090 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.74.4087 .
↑ 1 2 J. I. Cirac, P. Zoller. Calcule cuantice cu ioni prinși la rece // Scrisori de revizuire fizică. - 15-05-1995. - T. 74 , nr. 20 . - S. 4091-4094 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.74.4091 . Arhivat din original pe 26 ianuarie 2021.
↑ Valiev, K. A. Informatică cuantică: computere, comunicații și criptografie Copie de arhivă din 5 martie 2016 la Wayback Machine // Buletinul Academiei Ruse de Științe. - 2000. - Volumul 70. - Nr. 8. - S. 688-695.
↑ Sunt create prototipuri de computere cuantice . Copie de arhivă din 16 septembrie 2008 la Wayback Machine // lenta.ru.
↑ Sarcina principală a computerelor cuantice este de a îmbunătăți inteligența artificială . Copie arhivată din 12 martie 2018 la Wayback Machine , geektimes.ru, 4 martie 2018.
↑ Volkswagen va dezvolta un computer cuantic pentru a optimiza traficul rutier Arhivat 11 noiembrie 2018 la Wayback Machine .
↑ Șase exemple când computerele cuantice ne vor ajuta foarte mult Copie de arhivă din 12 martie 2018 pe Wayback Machine , hi-news.ru, 4 iulie 2017
↑ Kruglyak Yu. A. Modelarea cuantică în chimia cuantică pe computere cuantice. - Odesa: TES, 2020. - ISBN ISBN: 978-617-7711-56-7.
↑ 14 biți cuantici: fizicienii depășesc limitele a ceea ce este posibil în prezent în calculul cuantic . Universitatea din Innsbruck, Phys.org (1 aprilie 2011). Consultat la 28 iunie 2015. Arhivat din original la 30 iunie 2015.
↑ Lisa Zyga. Noul cel mai mare număr luat în considerare pe un dispozitiv cuantic este 56.153 . Phys.org (28 noiembrie 2014). Consultat la 28 iunie 2015. Arhivat din original la 11 decembrie 2017.
↑ Google a creat un computer cuantic de 72 de qubiți Arhivat 12 martie 2018 la Wayback Machine .
↑ M. I. Dyakonov . Vom avea vreodată un computer cuantic? . Comisia pentru combaterea pseudoștiinței (2018). Preluat la 6 decembrie 2018. Arhivat din original pe 6 decembrie 2018. (nedefinit)
↑ Ferdinand Schmidt-Kaler, Hartmut Haeffner, Mark Riebe, Stephan Gulde, Gavin PT Lancaster. Realizarea porții cuantice controlate-NOT Cirac-Zoller (engleză) // Nature. - 01-04-2003. — Vol. 422 . - P. 408-411 . - doi : 10.1038/nature01494 . Arhivat din original pe 14 iulie 2018.
↑ 1 2 S-au făcut progrese în crearea unui computer cuantic optic . Consultat la 3 noiembrie 2019. Arhivat din original la 3 noiembrie 2019. (nedefinit)
↑ 1 2 10 DECEMBRIE 2018 Noul dispozitiv optic aduce calculul cuantic un pas mai aproape Arhivat 3 noiembrie 2019 la Wayback Machine
↑ R. Penrose . Path to Reality Arhivat 31 mai 2012 la Wayback Machine .
↑ X. Breuer, F. Petruccione . Teoria sistemelor cuantice deschise . Arhivat pe 15 decembrie 2013 la Wayback Machine
↑ Yu. I. Ozhigov . Fizica constructivă . Arhivat 2 septembrie 2013 la Wayback Machine // rcd.ru.
↑ Cel mai mare computer cuantic de până acum (ing.) (link inaccesibil) . Geek.com (24 decembrie 2001). Data accesului: 28 iunie 2015. Arhivat din original la 1 iulie 2015.
↑ http://dml.riken.jp/pub/nori/pdf/PhysicaC_426_1552_Coherent_manipulations.pdf Arhivat 8 martie 2013 la Wayback Machine .
↑ Primul computer cuantic programabil universal a fost dezvăluit Arhivat 6 aprilie 2015 la Wayback Machine .
↑ IBM Reports Quantum Computer Progress Arhivat 7 martie 2012 la Wayback Machine // oszone.net .
↑ Defecte în rețeaua cristalină a diamantului au făcut posibilă crearea unui computer cuantic „strălucitor” Arhivat 13 aprilie 2012 la Wayback Machine .
↑ Computer cuantic construit în interiorul diamantului - articol cu referire la lucrarea originală în Nature Arhivat 13 aprilie 2012 la Wayback Machine .
↑ Hannes Bernien, Sylvain Schwartz, Alexander Keesling, Harry Levine, Ahmed Omran. Sondarea dinamicii mai multor corpuri pe un simulator cuantic de 51 de atomi // Nature . — 2017/11. - T. 551 , nr. 7682 . - S. 579-584 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature24622 . — arXiv : 1707,04344 . Arhivat din original pe 14 februarie 2018.
↑ Vladimir Korolev. Fizicienii ruso-americani au creat un computer cuantic de 51 de qubiți de complexitate record . nplus1.ru. Consultat la 15 iulie 2017. Arhivat din original la 14 iulie 2017. (nedefinit)
↑ 1 2 J. Zhang, G. Pagano, PW Hess, A. Kyprianidis, P. Becker. Observarea unei tranziții de fază dinamică cu mai multe corpuri cu un simulator cuantic de 53 de qubiți // Nature . — 2017/11. — Vol. 551 , iss. 7682 . - P. 601-604 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/nature24654 . - arXiv : 1708.01044 . Arhivat din original pe 30 noiembrie 2017.
↑ Vladimir Korolev. Fizicienii au creat un computer cuantic de 53 de qubiți de record . nplus1.ru. Consultat la 14 ianuarie 2018. Arhivat din original la 14 ianuarie 2018. (nedefinit)
↑ Simulatorul cuantic cu 51 de qubiți este cel mai mare vreodată , New Scientist . Arhivat din original pe 18 iulie 2017. Preluat la 21 iulie 2017.
↑ Viitorul este cuantic Arhivat pe 9 ianuarie 2018 la Wayback Machine . Cercetare pe blog IBM.
↑ IBM ridică ștacheta cu un computer cuantic de 50 de qubiți Arhivat 19 noiembrie 2017. . MIT Technology Review.
↑ IBM a creat cel mai puternic computer cuantic (rus) , Korrespondent.net (12 noiembrie 2017). Arhivat din original pe 13 noiembrie 2017. Recuperat la 13 noiembrie 2017.
↑ CES 2018: Intel progrese în calculul cuantic și neuromorfic Arhivat 10 ianuarie 2018 la Wayback Machine , 3dnews.ru, 9 ianuarie 2018.
↑ CES 2018: Intel Advances Quantum and Neuromorphic Computing Research Arhivat 26 februarie 2018 pe Wayback Machine , site-ul Intel , 8 ianuarie 2018.
↑ Google a construit un computer cuantic de 72 de qubiți Arhivat 6 martie 2018 la Wayback Machine , N+1, 5 martie 2018
↑ A Preview of Bristlecone, Google's New Quantum Processor Arhivat 11 martie 2018 la Wayback Machine , Google Research Blog, 5 martie 2018.
↑ Actualizarea IBM Quantum: Lansarea Q System One, noi colaboratori și planuri pentru Centrul QC . HPCwire (10 ianuarie 2019). Preluat la 11 aprilie 2022. Arhivat din original la 12 noiembrie 2020. (nedefinit)
↑ Chan. IBM dezvăluie primul computer cuantic din lume pe care companiile îl pot folosi efectiv pentru a rezolva probleme până acum imposibile . Business Insider (13 ianuarie 2019). Preluat la 11 aprilie 2022. Arhivat din original la 28 ianuarie 2021. (nedefinit)
↑ Natura 23 octombrie 2019 Frank Arute, Kunal Arya, et al. Supremație cuantică folosind un procesor supraconductor programabil Arhivat 23 octombrie 2019 la Wayback Machine 574, paginile 505-510 (2019)
↑ Supremația cuantică folosind un procesor superconductor programabil Arhivat 23 octombrie 2019 la Wayback Machine miercuri, 23 octombrie 2019 Publicat de John Martinis, om de știință șef Quantum Hardware și Sergio Boixo, om de știință șef Quantum Computing Theory, Google AI Quantum
↑ Meduza 20:05, 24 octombrie 2019 Alexander Ershov Ura, fizicienii Google au atins superioritatea cuantică! Sau poate că nu au făcut-o! Noi nu știm, ei nu știu, nimeni nu știe - de aceea este cuantică ... Arhivat 26 octombrie 2019 la Wayback Machine
↑ Fizicienii chinezi, doi în lume pentru a atinge supremația cuantică , arhivat la 7 decembrie 2020 la Wayback Machine , Meduza , 7 decembrie 2020.
↑ China atinge supremația cuantică pe două linii tehnice // Xinhua.
↑ China Focus: Oamenii de știință chinezi dezvoltă un nou computer cuantic cu 113 fotoni detectați // Xinhua..
↑ Un pas în viitor: IBM dezvăluie un nou cip de computer cuantic Arhivat 18 noiembrie 2021 la Wayback Machine , BBC , 17 noiembrie 2021.
↑ D-Wave Sells Quantum Computer to Lockheed Martin Arhivat 15 martie 2018 la Wayback Machine .
↑ Clienți arhivați 24 iulie 2018 pe Wayback Machine , site-ul web D-Wave.
↑ 3 Î: Scott Aaronson despre noua lucrare Google de calcul cuantic Arhivată 24 mai 2016 la Wayback Machine , 11 decembrie 2015.
↑ A fost lansat primul supercomputer cuantic din Europa cu peste 5.000 de qubiți . iXBT.com . Consultat la 28 februarie 2022. Arhivat din original pe 28 februarie 2022. (Rusă)

Literatură

Articole

Openov L. A. Porți logice spin bazate pe puncte cuantice // Soros Educational Journal , 2000, vol. 6, nr. 3, p. 93-98;
G. Brassard, I. Chuang, S. Lloyd, C. Monroe. Calcularea cuantică Arhivată 20 octombrie 2018 la Wayback Machine // PNAS . - 1998. - Vol. 95. - P. 11032-11033.
Kilin S. Ya. Informații cuantice Copie de arhivă din 29 septembrie 2010 la Wayback Machine // UFN . - 1999. - T. 169. - C. 507-527.
Valiev K. A. Calculatoare cuantice: pot fi făcute „mari”? Arhivat pe 23 decembrie 2009 la Wayback Machine // UFN . - 1999. - T. 169. - C. 691-694.
AM Steane, EG Rieffel. Dincolo de biți: viitorul procesării informațiilor cuantice // IEEE Computer. - ianuarie 2000. - P. 38-45.
Kilin S.Ya. Quanta și informații // Progrese în optică. - 2001. - Vol. 42. - P. 1-90.
Valiev K. A. Calculatoare cuantice și calcul cuantic Copie de arhivă din 10 februarie 2009 la Wayback Machine // UFN . - 2005. - T. 175. - C. 3-39.
TD Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y. Nakamura, C. Monroe, JL O'Brien. Quantum Computing Arhivat pe 21 septembrie 2013 la Wayback Machine // Nature . - 2010. - Vol. 464.-P. 45-53.
Calculator cuantic și calcul cuantic. Cap. ed. V. A. Sadovnichiy, Izhevsk: IZhT, 1999. - 288p.

Cărți

Pro și contra calculului cuantic Arhivat 16 martie 2021 la Wayback Machine / Ed. Sadovnici V. A.
The Quantum Computer și Quantum Computing Arhivat pe 16 martie 2021 la Wayback Machine / Ed. Sadovnici V. A.
Baumeister D., Eckert A. , Zeilinger A. Fizica informației cuantice. — M .: Postmarket, 2002. — 376 p.
Valiev K. A. , A. A. Kokin. Calculatoare cuantice: speranțe și realitate. - Izhevsk: RHD, 2004. - 320 p.
Deutsch D. Structura realităţii. - Izhevsk: RHD, 2001. - 400 p.
Kaye F., Laflame R., Mosca M. Introduction to Quantum Computing. - Izhevsk: RHD, 2009. - 360 p.
Kitaev A. Yu. , Shen A. , Vyaly M. N. Calcul clasic și cuantic Arhivat 9 iulie 2021 la Wayback Machine . M.: MTsNMO, 1999. 192 p.
Nielsen M., Chang I. Calcularea cuantică și informația cuantică. — M .: Mir, 2006. — 824 p.
Ozhigov Yu. I. Calcul cuantic . - M. : Max Press, 2003. - 152 p. Arhivatpe 8 martie 2013 laWayback Machine
Ozhigov Yu. I. Fizică constructivă. - Izhevsk: RHD, 2010. - 424 p.
Preskill J. Informaţii cuantice şi calcul cuantic. - Izhevsk: RHD, 2008-2011. — 464+312 p.
Scott Aaronson . Calcul cuantic de la Democrit = Scott Aaronson. Calcul cuantic de la Democrit. - M . : Alpina Non-fiction, 2017. - 494 p. - ISBN 978-5-91671-751-8 .

Link -uri

A. Berdichevsky . Program educațional cuantic. Arhivat pe 12 septembrie 2008 la Wayback Machine
Y. Lifshits . Curs „ Probleme moderne de informatică teoretică Arhivat 15 octombrie 2008 la Wayback Machine ” (prelegeri despre calculul cuantic: introducere, codificare superdensă, teleportare cuantică, algoritmi Simon și Shor).
calculator cuantic. Copie de arhivă din 25 aprilie 2013 la Wayback Machine // Conferință video de V. Shalaev în proiectul PostNauka (04.09.2013)
Departamentul de Supercalculatoare și Informatică Cuantică _
Laboratorul de Fizică a Calculatoarelor Cuantice
Viitorul computerelor cuantice este în calculul ternar. Arhivat pe 10 februarie 2022 la Wayback Machine // Infuture.ru
Calculatorul cuantic și baza sa elementară semiconductoare. Arhivat pe 17 iunie 2008 la Wayback Machine (8/04/2003 )
Limbajul de programare QCL pentru calculatoare cuantice. Arhivat pe 8 octombrie 2003 la Wayback Machine
memorie cuantică.

Dicționare și enciclopedii

În cataloagele bibliografice
BNE : XX556504 BNF : 135068781 GND : 4533372-5 J9U : 987007566220005171 LCCN : sh98002795 NDL : 01072652 NKC : ph184827

Cursuri de informatică
Conform sarcinilor	universal De specialitate
Prin prezentarea datelor	Analogic hibrid Digital
După sistemul numeric	Binar Ternar zecimale Discret
După mediul de lucru	Cuantic Optic Electronic Biocomputer mecanic ( pneumatic hidraulic ) Industrial ( personal )
Prin programare	Mainframe Desktop ( Server ( Acasă ) Stație de lucru Personal Acasă Monobloc Conectați PC-ul Consolă de jocuri Joc centru media Dispozitiv de internet netbook tabletă de internet tableta netbook Nettop Computer consolă
Supercalculatoare	Mini supermini Personal
Mic și mobil	Micro Dispozitiv de internet mobil CPC Caiet Subnotebook Ultrabook netbook Smartbook Comprimat tabletă de internet Carte electronică Smartphone PC portabil Stick PC UMPC Sistem de joc portabil purtabil Traducător electronic Calculator Calculator grafic calculator stiintific Calculator programabil

informatica cuantica

Concepte generale

comunicații cuantice

canal cuantic
- rețea cuantică
criptografia cuantică
- Distribuția cheii cuantice
Teleportarea energiei cuantice
teleportarea cuantică
Codare cuantică ultradensă
LOCC
distilare cuantică

Algoritmi cuantici

simulator cuantic
Algoritmul Deutsch-Yozhi
Algoritmul Bernstein-Wazirani
Algoritmul lui Grover
Transformată Fourier cuantică
algoritmul lui Shor
problema lui Simon
Algoritmul de estimare a fazei cuantice
Algoritmul de calcul cuantic
recoacere cuantică
Răcire algoritmică
Algoritm cuantic pentru rezolvarea unui sistem de ecuații liniare
Câștig de amplitudine

Teoria complexității cuantice

Modele de calcul cuantic

circuit cuantic
- poarta cuantică
Calculator cuantic unilateral
- cluster
Calcul cuantic adiabatic
Calculator cuantic topologic

Prevenirea decoerenței

Corectarea erorilor cuantice
Codurile de stabilizare
Formalismul de stabilizare
Cod convoluțional cuantic

Implementări fizice

optica cuantică	Electrodinamica cuantică a cavitației Electrodinamica cuantică de contur Calcul cuantic bazat pe optică liniară Protocolul KLM Prelevarea bosonică
atomi superreci	Calculator cuantic cu ioni absorbiți Gratar optic
pe spate	Calculator cuantic bazat pe rezonanța magnetică nucleară Calculatorul cuantic al lui Kane Pierdere computer cuantic - DiVincenzo Centrul NV
Calculatoare cuantice supraconductoare	încărcați qubit streaming qubit qubit de fază Transmon

Principalele direcții ale informaticii
Fundamente matematice	logica matematica teoria multimilor teoria numerelor teoria grafurilor Teoria tipurilor Teoria categoriilor Matematică computațională Teoria informației Combinatorică Algebra logicii
Teoria algoritmilor	Teoria automatelor Teoria computabilității Teoria complexității computaționale Teoria calculului cuantic
Algoritmi , structuri de date	Analiza algoritmului Dezvoltarea algoritmilor Geometrie computațională
Limbaje de programare , compilatoare	Analizator Interpret programare procedurală Programare orientată pe obiecte Programare functionala Programare logica Paradigma de programare
Concurență și calcul paralel , sisteme distribuite	multiprocesare Procesare in retea
Inginerie software	Analiza cerințelor Proiectare software Programare Metode formale Testarea software-ului Dezvoltare de software
Arhitectura sistemului	Arhitectura calculatorului Dispozitiv de calculator Sistem de operare
Telecomunicatii , retele	sunetul calculatorului Dirijare Topologie de rețea Criptografie
Bază de date	Sisteme de gestionare a bazelor de date Baze de date relaționale SQL Tranzacții Indexul bazei de date extragerea datelor
Inteligenţă artificială	Generarea automată a judecăților Lingvistică computațională viziune computerizată modelare evolutivă Sistem expert Învățare automată procesarea limbajului natural Robotică
Grafică pe computer	Vizualizarea animatie pe calculator Procesarea imaginii
Interacțiunea om-calculator	Disponibilitatea publică a computerului Interfețe cu utilizatorul calculator purtabil Calcul omniprezent Realitate virtuala
calcul științific	viata artificiala bioinformatica stiinta cognitiva Chimie computațională Neuroștiința computațională Fizica computațională Algoritmi de calcul Matematică simbolică
Notă: Informatica poate fi, de asemenea, împărțită în diferite subiecte sau ramuri, conform Sistemului de clasificare a calculatoarelor ACM .