Como são realizados os portões quânticos, em termos de dinâmica?

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Ao expressar cálculos em termos de um circuito quântico, utiliza-se portões , ou seja, (tipicamente) evoluções unitárias.

Em certo sentido, esses são objetos bastante misteriosos, na medida em que realizam operações discretas "mágicas" nos estados. São essencialmente caixas negras, cujo funcionamento interno não é frequentemente tratado enquanto se estuda algoritmos quânticos. No entanto, não é assim que a mecânica quântica funciona: os estados evoluem de maneira contínua, seguindo a equação de Schrödinger.

Em outras palavras, quando se fala de portões e operações quânticas, negligencia-se a dinâmica (isto é, o Hamiltoniano) que realiza a referida evolução, que é como os portões são realmente implementados em arquiteturas experimentais.

Um método é decompor o portão em termos dos elementares (em uma dada arquitetura experimental). É este o único caminho? E os portões "elementares"? Como as dinâmicas implementam as tipicamente encontradas?

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Ao expressar cálculos clássicos em termos de operações lógicas, utiliza-se portões. Em certo sentido, essas são essencialmente caixas negras, cujo funcionamento interno não é frequentemente tratado enquanto se estuda algoritmos clássicos. No entanto, não é assim que a natureza funciona: os estados evoluem de maneira contínua, descritível por equações diferenciais. Quando se fala em algoritmos clássicos, negligencia-se a dinâmica de realização da referida evolução, que é como os portões são realmente realizados nos sistemas físicos. Mas a dinâmica que gera um portão não é importante, desde que o portão possa de fato ser realizado.
Niel de Beaudrap 22/0318
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Estou fazendo uma observação retórica: que o mesmo argumento poderia ser direcionado à computação clássica, mas nos permitimos o luxo da abstração, porque sabemos que as operações são realizáveis ​​em princípio, por uma aplicação adequada de fabricação e controle. A única questão é qual nível de 'princípio' o satisfaria. Pense na analogia com o caso clássico: se você não soubesse sobre eletrônicos de consumo, que nível de detalhe você esperaria estar satisfeito com o fato de o NAND ser fisicamente realizável, e não apenas como uma abstração intelectual do raciocínio?
Niel de Beaudrap 22/0318
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@NieldeBeaudrap, o tipo de resposta que eu espero é algo que destaca que a maneira como os portões mais complexos (por exemplo, portões de Toffoli) são implementados é por meio de 1) decomposição de portões usando conjuntos de portões que são "simples" em uma determinada arquitetura (o que traz o altamente não trivial problema de compilação quântica), 2) técnicas de controle quântico, 3) usando graus auxiliares de liberdade, 4) implementando o portão como uma dinâmica efetiva em um espaço maior de Hilbert, 5) possivelmente outros métodos
glS
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Não, estou perguntando sobre as metodologias usadas hoje para implementar portões, que são mais ou menos os que mencionei acima. Isso é diferente de perguntar sobre como os portões são decompostos em termos de portões mais fáceis (em uma determinada arquitetura), porque essa é apenas uma maneira de fazer isso. Editei a pergunta tentando esclarecer esse ponto. Aqui está um exemplo de artigo que usa uma dessas técnicas para implementar um Toffoli: arxiv.org/abs/1501.04676 , que pode esclarecer o tipo de resposta que essa pergunta pode ter
glS
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O capítulo 1 e, especialmente, o apêndice D da minha tese de doutorado explicam como a lógica abstrata vem da dinâmica dos qubits supercondutores.
DanielSank

Respostas:

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De um modo geral, a realização de um portão quântico envolve manipulação coerente de um sistema de dois níveis (mas isso talvez não seja novidade para você). Por exemplo, você pode usar dois estados eletrônicos de vida longa em um átomo preso (neutro ou ionizado no vácuo) e usar um campo elétrico aplicado para implementar operações de um qubit único (consulte íons presos ou reticulados ópticos, por exemplo).

Como alternativa, existem soluções de estado sólido, como qubits supercondutores ou qubits com defeito de silicone, que são tratadas pelos eletrônicos de radiofrequência. Você pode usar subníveis de centrifugação nuclear endereçados a microondas ou células vazias de nitrogênio no diamante. O ponto em comum é que a manipulação e o acoplamento dos qubits são por meio de campos de luz aplicados, e há vários métodos que você pode usar para ajustar o espaçamento de nível nesses sistemas para permitir o endereçamento de rotação única ou manipular a vida útil.

A tradução da implementação para o Hamiltoniano é obviamente dependente da sua escolha de sistema, mas eventualmente tudo se resume às matrizes Pauli no final. O campo claro fornece elementos fora da diagonal em suas operações de qubit único, enquanto as operações de dois qubit são mais complicadas e as técnicas dependem muito da implementação.

GroundhogState
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