Квантни рачунар је рачунар који користи предности квантномеханичких појава. На малим размерама, физичка материја показује својства и честица и таласа, а квантно рачунарство користи ово понашање, посебно квантну суперпозицију и преплитање, користећи специјализовани хардвер који подржава припрему и манипулацију квантним стањима. Класична физика не може да објасни рад ових квантних уређаја, а скалабилни квантни рачунар би могао да изврши неке прорачуне експоненцијално брже (у погледу скалирања величине улаза)од било ког модерног „класичног“ рачунара. Конкретно, велики квантни рачунар би могао да разбије широко коришћене шеме шифровања и помогне физичарима у извођењу физичких симулација; међутим, тренутно стање технике је углавном експериментално и непрактично, са неколико препрека корисним применама. Штавише, скалабилни квантни рачунари не обећавају многе практичне задатке, а за многе важне задатке квантно убрзање је доказано немогућим. мини|| Слојевити модел квантног рачунарства Основна јединица информација у квантном рачунарству је кубит, сличан биту у традиционалној дигиталној електроници. За разлику од класичног бита, кубит може постојати у суперпозицији своја два "основна" стања, што лабаво значи да се налази у оба стања истовремено. Када се мери кубит, резултат је пробабилистички излаз класичног бита, због чега су квантни рачунари уопште недетерминистички. Ако квантни рачунар манипулише кубитом на одређени начин, ефекти интерференције таласа могу појачати жељене резултате мерења. Дизајн квантних алгоритама укључује креирање процедура које омогућавају квантном рачунару да ефикасно и брзо изводи прорачуне.

Физички инжењеринг висококвалитетних кубита показао се изазовним. Ако физички кубит није довољно изолован од свог окружења, он пати од квантне декохеренције, уводећи буку у прорачуне. Парадоксално, савршено изоловање кубита је такође непожељно јер квантна израчунавања обично морају да иницијализују кубите, изводе контролисане интеракције кубита и мере резултујућа квантна стања. Свака од тих операција доноси грешке и пати од буке, а такве нетачности се гомилају.

Националне владе су много уложиле у експериментална истраживања која имају за циљ развој скалабилних кубита са дужим временом кохерентности и нижим стопама грешака. Две технологије које највише обећавају су суперпроводници (који изолују електричну струју елиминишући електрични отпор) и јонске замке (које ограничавају један јон помоћу електромагнетних поља).

У принципу, неквантни (класични) рачунар може да реши исте рачунске проблеме као и квантни рачунар, ако му се да довољно времена. Квантна предност долази у облику временске сложености, а не урачунљивости, а квантна теорија сложености показује да неки квантни алгоритми за пажљиво одабране задатке захтевају експоненцијално мање рачунских корака од најпознатијих неквантних алгоритама. Такви задаци се у теорији могу решити на квантном рачунару великих размера, док класични рачунари не би завршили прорачуне ни у једном разумном времену. Међутим, квантно убрзање није универзално или чак типично за рачунарске задатке, пошто је доказано да основни задаци као што је сортирање не дозвољавају било какво асимптотично квантно убрзање. Тврдње о квантној надмоћи скренуле су значајну пажњу на ову дисциплину, али су демонстриране на измишљеним задацима, док случајеви краткорочне практичне употребе остају ограничени.

Оптимизам у вези са квантним рачунарством је подстакнут широким спектром нових теоретских хардверских могућности које олакшава квантна физика, али све боље разумевање ограничења квантног рачунарства је противтежа овом оптимизму. Конкретно, квантна убрзања се традиционално процењују за бешумне квантне рачунаре, док утицај буке и коришћење квантне корекције грешака могу поткопати нискополиномска убрзања.

Историја квантног рачунарства Дуги низ година, области квантне механике и рачунарства формирале су различите академске заједнице. Модерна квантна теорија развијена је 1920-их да би објаснила дуалност талас-честица примећена на атомским размерама, и дигитални рачунари су се појавили у наредним деценијама да замени људске рачунаре за досадне прорачуне. Обе дисциплине су имале практичну примену током Другог светског рата; компјутери су играли главну улогу у ратној криптографији, а квантна физика је била од суштинског значаја за нуклеарну физику коришћену у Пројекту Manhatn.

Како су физичари примењивали квантномеханичке моделе на рачунарске проблеме и мењали дигиталне битове за кубите, поља квантне механике и рачунарства су почела да се приближавају. Године 1980. Пол Бениоф је представио квантну Тјурингову машину, која користи квантну теорију да опише поједностављени рачунар. Када су дигитални рачунари постали бржи, физичари су се суочили са експоненцијалним повећањем трошкова приликом симулације квантне динамике, што је навело Јурија Манина и Ричарда Фајнмана да независно сугеришу да би хардвер заснован на квантним феноменима могао бити ефикаснији за компјутерску симулацију.У раду из 1984. Цхарлес Бенетт и Гиллес Брассард су применили квантну теорију на криптографске протоколе и показали да квантна дистрибуција кључева може побољшати безбедност информација.

Затим су се појавили квантни алгоритми за решавање проблема пророчанства, као што су Дојчев алгоритам 1985. Бернстеин–Вазирани алгоритам 1993. и Симонов алгоритам 1994. године. Ови алгоритми нису решили практичне проблеме, али су математички демонстрирали да се може добити више информација испитивањем црне кутије са квантним стањем у суперпозицији, што се понекад назива и квантни паралелизам. Питер Шор је изградио ове резултате својим алгоритмима из 1994. за разбијање широко коришћених РСА и Diffie-Helffman протокола за шифровање, који су скренули значајну пажњу на област квантног рачунарства.Године 1996. Гроверов алгоритам је успоставио квантно убрзање за широко применљив проблем неструктуриране претраге. Исте године, Сет Лојд је доказао да квантни рачунари могу да симулирају квантне системе без експоненцијалних трошкова присутних у класичним симулацијама, потврђујући Фејнманову претпоставку из 1982. године.

Током година, експериментатори су конструисали мале квантне рачунаре користећи заробљене јоне и суперпроводнике. Године 1998. квантни рачунар са два кубита је показао изводљивост технологије, а наредни експерименти су повећали број кубита и смањили стопу грешке.У 2019, Гоогле АИ и НАСА објавили су да су постигли квантну надмоћ са машином од 54 кубита, изводећи прорачун који је немогућ за било који класичан рачунар. Међутим, ваљаност ове тврдње се још увек активно истражује.

Са фокусом на тачку гледишта пословног менаџмента, потенцијалне примене квантног рачунарства у четири главне категорије су сајбер безбедност, аналитика података и вештачка интелигенција, оптимизација и симулација, и управљање подацима и претраживање.

У децембру 2023. године, физичари су по први пут пријавили преплитање појединачних молекула, што може имати значајну примену у квантном рачунарству. Такође у децембру 2023. године, научници су успешно креирали „квантна кола“ која исправљају грешке ефикасније од алтернативних метода, што потенцијално може уклонити велику препреку практичним квантним рачунарима.

Квантна обрада информација Рачунарски инжењери обично описују рад модерног рачунара у терминима класичне електродинамике. Унутар ових „класичних“ рачунара, неке компоненте (као што су полупроводници и генератори случајних бројева) могу се ослањати на квантно понашање, али ове компоненте нису изоловане од свог окружења, тако да се свака квантна информација брзо декохерује. Док програмери могу зависити од теорије вероватноће када дизајнирају рандомизовани алгоритам, квантномеханички појмови попут суперпозиције и интерференције су углавном ирелевантни за анализу програма.

Насупрот томе, квантни програми се ослањају на прецизну контролу кохерентних квантних система. Физичари описују ове системе математички користећи линеарну алгебру. Комплексни бројеви моделују амплитуде вероватноће, вектори моделирају квантна стања, а матрице моделирају операције које се могу извршити над овим стањима. Програмирање квантног рачунара је онда ствар састављања операција на такав начин да резултујући програм израчунава користан резултат у теорији и да се може применити у пракси.

Како физичар Чарли Бенет описује однос између квантних и класичних рачунара.

Класични рачунар је квантни рачунар ... тако да не би требало да се питамо "одакле долазе квантна убрзања?" Требало би да кажемо, "па, сви рачунари су квантни... Одакле долазе класична успоравања?"

Квантне информације Кубит служи као основна јединица квантне информације. Он представља систем са два стања, баш као и класични бит, осим што може постојати у суперпозицији своја два стања.У једном смислу, суперпозиција је као дистрибуција вероватноће на две вредности. Међутим, на квантно израчунавање могу утицати обе вредности одједном, необјашњиво ни за једно стање појединачно. У том смислу, "суперпоновани" кубит чува обе вредности истовремено.

Дводимензионални вектор математички представља стање кубита. Физичари обично користе Диракову нотацију за квантну механичку линеарну алгебру, пишући |ψ⟩ 'кет пси' за вектор означен са ψ. Пошто је кубит систем са два стања, свако стање кубита има облик α|0⟩ + β|1⟩, где су |0⟩ и |1⟩ стандардна основна стања, и α и β су вероватноћа амплитуде. Ако је α или β нула, кубит је заправо класичан бит; када су оба различита од нуле, кубит је у суперпозицији. Такав вектор квантног стања делује слично као (класични) вектор вероватноће, са једном кључном разликом: за разлику од вероватноћа, амплитуде вероватноће нису нужно позитивни бројеви. Негативне амплитуде дозвољавају деструктивну интерференцију таласа.

Када се кубит мери у стандардној бази, резултат је класичан бит. Борново правило описује кореспонденцију квадрата норме између амплитуда и вероватноћа — када се мери кубит α|0⟩ + β|1⟩, стање пада на |0⟩ са вероватноћом |α|2, или на |1⟩ са вероватноћом | β|2. Свако важеће стање кубита има коефицијенте α и β такве да је |α|2 + |β|2 = 1. На пример, мерење кубита 1 / √2 |0⟩ + 1 / √2 |1⟩ би произвело или |0⟩ или |1⟩ са једнаком вероватноћом.

Сваки додатни кубит удвостручује димензију простора стања. Као пример, вектор 1/√2|00⟩ +1/√2|01⟩ представља стање са два кубита, тензорски производ кубита |0⟩ са кубитом1/√2|0⟩ + 1/√2|1⟩. Овај вектор насељава четвородимензионални векторски простор који обухватају базни вектори |00⟩, |01⟩, |10⟩ и |11⟩. Држава Белл1/√2|00⟩ +1/√2|11⟩ је немогуће разложити у тензорски производ два појединачна кубита—два кубита су заплетена јер су њихове амплитуде вероватноће у корелацији. Уопштено говорећи, векторски простор за н-кубитни систем је 2н-димензионалан, а то чини изазов за класични рачунар да симулира квантни: представљање система од 100 кубита захтева складиштење 2100 класичних вредности.

Унитерни оператори Стањем ове квантне меморије од једног кубита може се манипулисати применом квантних логичких капија, аналогно томе како се класичном меморијом може манипулисати класичним логичким капијама. Једна важна капија и за класично и за квантно израчунавање је НЕ капија. Математички, примена такве логичке капије на вектор квантног стања је моделована множењем матрице.

Математика једнокубитних капија може се проширити да ради на вишекубитним квантним меморијама на два важна начина. Један од начина је једноставно да изаберете кубит и примените ту капију на циљни кубит док остатак меморије остане непромењен. Други начин је да се капија примени на циљ само ако је други део меморије у жељеном стању. Ова два избора могу се илустровати другим примером.

Укратко, квантно рачунање се може описати као мрежа квантних логичких капија и мерења. Међутим, свако мерење се може одложити до краја квантног израчунавања, иако ово одлагање може имати рачунску цену, тако да већина квантних кола приказује мрежу која се састоји само од квантних логичких капија и без мерења.

Квантно програмирање

Низ капија