مدل‌های رایانش‌ کوانتومی

مدل‌های مختلف رایانش‌ کوانتومی

رایانش‌ کوانتومی از لحاظ روش انجام پردازش‌ها چندین مدل دارد. معروف‌ترین و گسترده‌ترین روش انجام رایانش‌ کوانتومی، مدل مدارهای کوانتومی (گیت‌های کوانتومی) است. از سایر مدل‌‎ها می‌توان به مدل مبتنی بر اندازه‌گیری، کوانتوم انیلینگ و رایانش‌های کوانتومی بی‌دررو، و کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیک اشاره کرد که در ادامه با برخی از این مدل‌های رایانشی آشنا می‌شویم:

• مدل مدارهای کوانتومی (گیت‌های کوانتومی)

اساس کار این روش تجزیه کردن عملیات پردازشی مورد نظر (الگوریتم) به رشته‌ای از ماتریس‌های ساده‌تر است. خود این ماتریس‌ها ممکن است قابلیت تجزیه به عملگرهایی ساده‌تر را داشته باشند. از لحاظ عملی، ساده‌سازی ماتریس‌های رایانشی تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که تمامی ماتریس‌های باقی‌مانده قابلیت اجرا شدن توسط کامپیوتر کوانتومی را داشته باشند. پس از اینکه تمامی عملگرهای مربوط به الگوریتم اجرا شد، در نهایت بر روی کیوبیت‌ها اندازه‌گیری به عمل می‌آید.

عملگرهای ساده شده، یکی پس از دیگری بر روی هر کدام از کیوبیت‌ها اعمال می‌شوند و حالت آن را با توجه به عملگر مورد تغییر قرار می‌دهند. اگر هر کیوبیت را به صورت یک خط و عملگرهایی که بر آن عمل می‌کنند را نیز به صورت مربع‌هایی که بر روی این خطوط قرار می‌گیرند نشان دهیم، شکلی که در نهایت به دست می‌آید مداری از عملگرهای (گیت‌ها) کوانتومی است که بر روی کیوبیت‌ها اعمال می‌گردند. گیت‌های استفاده شده برای پردازش تماما عملگرهای یکانی هستند و در نتیجه در صورت استفاده از همیوغ هرمیتی هر یک از آن‌ها قابلیت بازگشت‌پذیری دارند .بیشتر پلتفرم‌های پیشنهاد شده برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی از جمله کیوبیت‌های ابررسانا، معمولا از مدل مداری رایانش‌های کوانتومی استفاده می‌کنند.

شکل بالا، مدار کوانتومی الگوریتم گرور برای 5 کیوبیت؛ هر یک از کیوبیت‌ها با یک خط نشان داده می‌شوند و گیت‌های کوانتومی از چپ به راست به ترتیب زمانی بر روی آن‌ها اعمال می‌شود و حالت آن‌ها را سمت جواب نهایی هدایت می‌کند. پس از انجام عملیات لازم برای اجرای الگوریتم، در آخر بر روی کیوبیت‌ها برای بازخوانی نتیجه‌ی رایانش، اندازه‌گیری صورت می‌گیرد.

• مدل رایانش‌ کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری

در این روش، در ابتدا کیوبیت‌ها یا کیومدها در شبکه‌ای پیچیده از درهم‌تنیدگی‌های کوانتومی که به آن کلاستر می‌گوییم قرار می‌گیرند. الگوریتم‌های کوانتومی مورد نظر، با استفاده از اندازه‌گیری بر روی واحدهای اطلاعاتی اعمال می‌شوند. با انجام اندازه‌گیری بخشی از شبکه‌ی کلاستر از بین رفته ولی همزمان بر روی آن بخشی از پردازش مورد نظر انجام شده و به قسمتی دیگر از کلاستر ترابرد می‌شود. از کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری به خصوص در پلتفرم‌های اپتیکی استفاده می‌شود.

در این روش کیوبیت‌/کیومدها یک شبکه‌ی در هم تنیده‌ی بزرگ تشکیل می‌دهند، سپس به وسیله‌ی اندازه‌گیری هدفمند بر روی کیوبیت/کیومد‌ها، اطلاعات موجود در آن‌ها پردازش شده و به قسمتی دیگر از شبکه ترابرد کوانتومی می‌شود. این عملیات تا پایان رایانش ادامه پیدا می‌کند.

قابل اثبات است که از لحاظ رایانشی، این روش با روش مداری معادل است و تنها استراتژی اجرایی آن‌ها متفاوت می‌باشد. از کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری به خصوص در پلتفرم‌های اپتیکی استفاده می‌شود.

رایانش‌های کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری؛ در این روش کیوبیت‌/کیومدها یک شبکه‌ی در هم تنیده‌ی بزرگ تشکیل می‌دهند، سپس به وسیله‌ی اندازه‌گیری هدفمند بر روی کیوبیت/کیومد‌ها، اطلاعات موجود در آن‌ها پردازش شده و به قسمتی دیگر از شبکه ترابرد کوانتومی می‌شود. این عملیات تا پایان رایانش ادامه پیدا می‌کند.

• رایانش‌های کوانتومی بی‎‌‌دررو

روش کار در این مدل از رایانش‌های کوانتومی عبارت است از تجزیه‌ی رایانش به یک گذار پیوسته و آهسته‌ی هامیلتونی اولیه‌ی سیستم به یک حالت نهایی آن به طوری که حالت پایه‌ی هامیلتونی نهایی شامل جواب مسئله‌ی مورد نظر باشد.