О квантовых вычислениях много пишут и говорят, особенно в последнее время. Причины такого интереса вполне очевидны - потребность в новом поколении вычислительных устройств назрела уже давно, и квантовый компьютер - первый кандидат на то, чтобы стать этим новым поколением. Для работы с новыми, только возникающими технологиями требуются специалисты, разбирающиеся в основах этих технологий - инженеры, физики, математики, алгоритмисты... Это - те люди, которые, возможно, станут у истоков новой эры и смогут поучаствовать в осуществлении очередного грандиозного шага в развитии человечества. Затронуть все аспекты темы квантовых вычислений в рамках одного MOOC не представляется возможным, поэтому данный курс охватывает только одну их область - анализ и проектирование квантовых алгоритмов. Прослушав курс, вы: 1. Разберетесь с моделью квантовых вычислений и поймете, что такое квантовый компьютер с точки зрения алгоритмиста и математика. 2. Познакомитесь с простыми (и не очень простыми) квантовыми алгоритмами и получите начальные навыки их проектирования. 3. Просто получите удовольствие, всегда сопровождающее познание чего-то нового. Команда курса желает вам успехов в освоении материала. Мы будем искренне рады, если знания, полученные вами здесь, помогут вам в достижении новых теоретических и практических результатов.
Квантовый компьютер на фотонах
Loading...
来自 Saint Petersburg State University 的课程
Квантовые вычисления (Quantum computing)
20 个评分
从本节课中
Квантовый компьютер и квантовые алгоритмы
В этом модуле мы рассмотрим прототип квантового компьютера на двух фотонах и несколько простых квантовых алгоритмов.
与讲师见面
Сысоев Сергей Сергеевичкандидат физико-математических наук
Кафедра системного программирования
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Для демонстрации алгоритма
Дойча давайте рассмотрим простейший квантовый компьютер на двух кубитах,
который вы, при желании, можете собрать у себя дома или в лаборатории.
Вот как выглядит наш квантовый компьютер.
Вся конструкция располагается на массивной ровной плите ДСП.
Источником фотонов, которые будут переносить наши кубиты,
является красный лазер, длина волны — 650 нанометров и мощность 100 милливат.
Каждый фотон будет переносить у нас два кубита.
Первый кубит — позиция фотона в интерферометре, второй — поляризация.
Выйдя из лазера, фотоны проходят через линейный поляризатор.
Вообще говоря, для сеанса вычисления нам достаточно одного фотона.
Фотон проходит через линейный поляризатор,
уже знакомый нам, и попадает в интерферометр Маха — Цендера,
состоящий из двух полупрозрачных зеркал и двух обычных зеркал.
Полупрозрачные зеркала выполнены в виде светоделительных кубиков.
Обратите внимание, что кубики должны быть неполяризационные — они не должны менять
поляризацию наших фотонов.
И обычные зеркала должны быть без стеклянного покрытия,
обычные металлические зеркала — поскольку стеклянное покрытие создает
дополнительную отраженную волну, которая портит нам интерференцию.
Такими зеркалами, например, пользуются стоматологи.
Квантовый оракул у нас будет выполняться в виде вот таких
вот волновых пластин, полуволновых пластин для красного цвета.
Вообще говоря, волновую пластину можно простейшую сделать из куска скотча,
но, для того чтобы у нас запаздывание происходило ровно на половину длины волны,
надо, конечно, заказать полуволновые пластины для красного цвета.
Результатом измерения для нас будет
интерференционная картина, которую вы видите на экране.
И по характеру и виду этой интерференционной
картины мы будем судить о результате нашего измерения.
Посмотрим на наш квантовый компьютер сверху.
Итак, мы снова видим лазер, линейный поляризатор,
светоделительные кубики,
зеркала и полуволновые пластины внутри интерферометра.
Интерферометр Маха — Цендера действует следующим образом.
При прохождении первого полупрозрачного зеркала фотон имеет
две равновероятные возможности: отразиться и пойти по левому плечу
интерферометра или пройти зеркало насквозь и пойти по правому плечу.
Таким образом, до измерения фотона мы имеем суперпозицию
двух его состояний: фото в левом плече и фотон в правом плече интерферометра.
На обоих путях стоят зеркала,
отражающие фотон во второй светоделительный кубик,
где опять есть две возможности: левый фотон может пройти насквозь
или отразиться и правый фотон может пройти насквозь или отразиться.
Давайте посмотрим верхний выход из интерферометра.
В него попал левый фотон, который прошел зеркало насквозь,
и правый фотон, который отразился от этого зеркала.
При этом мы помним, что это один и тот же фотон, и,
значит, он может проинтерферировать сам с собой.
И, значит, на экране сверху,
да и на экране слева мы увидим интерференционную картину.
Разберем принцип действия полуволновой пластины.
Мы уже говорили с вами о кристаллах с оптической осью.
На прошлом занятии я показывал вам линейные поляризаторы,
которые пропускают свет, поляризованный вдоль одной оси,
и не пропускают фотоны, поляризованные вдоль второй, перпендикулярной, оси.
Кристаллы, используемые в волновых пластинах устроены похожим образом: у них
тоже есть ось, вдоль которой фотоны проходят
беспрепятственно, формируя так называемые обыкновенный луч.
Фотоны, поляризованные вдоль перпендикулярной оси,
тоже проходят через кристалл, но медленнее,
с некоторым запозданием, формируя необыкновенный луч.
И можно подобрать толщину кристалла таким образом,
чтобы фотон проходил через кристалл
с замедлением ровно на половину длины волны,
что соответствует умножению волновой функции этого фотона на − 1.
Давайте посмотрим, как действует такой кристалл на луч,
расположенный под некоторым углом,
скажем θ, к оптической оси кристалла.
Его вертикальная составляющая пройдет без изменений,
а горизонтальная составляющая домножится на −1,
и мы получим поворот поляризации
относительно оптической оси кристалла на угол
2θ.
