Квантовый компьютер на фотонах

Loading...

Из курса от партнера Saint Petersburg State University

Квантовые вычисления (Quantum computing)

20 оценки

Saint Petersburg State University

Квантовые вычисления (Quantum computing)

20 оценки

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.

Из урока

Квантовый компьютер и квантовые алгоритмы

В этом модуле мы рассмотрим прототип квантового компьютера на двух фотонах и несколько простых квантовых алгоритмов.

Задача Дойча14:54

Квантовый компьютер на фотонах5:51

Реализация алгоритма Дойча на квантовом компьютере6:06

Познакомьтесь с преподавателями

Сысоев Сергей Сергеевич
кандидат 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.

Ознакомьтесь с нашим каталогом

Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.

Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.

© Coursera Inc., 2018 Все права защищены.

Загрузить из App Store

Загрузить в Google Play