绝热量子计算机

✍ dations ◷ 2025-11-07 18:19:10 #绝热量子计算机

绝热量子计算机 (AQC)是一种量子计算机的形式,依赖绝热理论(英语:Adiabatic theorem)进行计算 。AQC与量子退火紧密相关,甚至可认为是量子退火的一个子类。

首先要找到一个基态能够描述我们所感兴趣的问题的解的哈密顿量(这个量可能是复杂的)。接下来准备一个简单哈密顿量的系统并将其初始化至基态。最后,将该简单哈密顿量绝热演化为我们所求的复杂哈密顿量.。根据绝热理论,该系统会保持在基态,所以最终该系统所处的状态将可以描述该问题的解。绝热量子计算在多项式运算方面展示出了和传统量子计算一样的能力。

绝热量子计算的时间复杂度是指完成绝热演算所需的时间,与哈密顿量的本征能隙(谱隙)有关。具体地说,如果系统处于基态,基态与第一激发态之间的能隙提给出了演化速度的上界当谱隙很小时,演化速度也会很慢。 整个算法的运行时间可以被约束为:

T = O ( 1 g m i n 2 ) {displaystyle T=Oleft({frac {1}{g_{min}^{2}}}right)}

这里 g m i n {displaystyle g_{min}} 代表 H ( t ) {displaystyle H(t)} 的最小频谱距 。

AQC是一个可能解决量子耗散问题的方法。由于系统处于基态,外界的干涉无法使它向更低的能态移动。如果外界的能量低于基态和第一激发态的能量差,系统跃迁的高能态的可能性将相应的更低。 因此,系统可以依据需求长时间处于单系统本征态。

普遍来讲,在绝热模型中的结果依赖于量子复杂性和QMA-问题。如果k≥2, k-local的哈密顿量是QMA完备的 QMA难度的结果已知于量子比特的现实晶格模型 , 。

H = i h i Z i + i < j J i j Z i Z j + i < j K i j X i X j {displaystyle H=sum _{i}h_{i}Z_{i}+sum _{i<j}J^{ij}Z_{i}Z_{j}+sum _{i<j}K^{ij}X_{i}X_{j}}

Z , X {displaystyle Z,X} 代表泡利矩阵 σ z , σ x {displaystyle sigma _{z},sigma _{x}} .这种模型被用于通用绝热量子计算。QMA-完备问题的哈密顿量也可以被限制作用在量子比特的两维网格上或一条每个有12种状态的量子颗粒上。如果这种模型被证明是物理可行的,它们也可以用来构建通用绝热量子计算机的基础。

在实际计算中仍存在一些问题。因为哈密顿量是逐渐变化,当多个 量子比特接近一个临界点时会产生一些有趣的现象。临界点是指当基态能量很接近第一激发态时。这时,只需要添加少量的能量(来自外界环境或是由于哈密顿量的改变)就能使系统脱离基态从而破坏计算。试图加快计算速度会增加外部能量;改变量子比特的数量会使临界点处能隙变小。

Adiabatic quantum computation solves satisfiability problems and other combinatorial search problems by the process below. Generally this kind of problem is to seek for a state that satisfies C 1 C 2 C M {displaystyle C_{1}wedge C_{2}wedge cdots wedge C_{M}} .This expression contains the satisfiability of M clauses, each clause C i {displaystyle C_{i}} has the value True or False, and can involve n bits. Each bit here is a variable x j { 0 , 1 } {displaystyle x_{j}in {0,1}} so C i {displaystyle C_{i}} is a Boolean value function of x 1 , x 2 , , x n {displaystyle x_{1},x_{2},dots ,x_{n}} . QAA solves this kind of problem using quantum adiabatic evolution. It starts with an Initial Hamiltonian H B {displaystyle H_{B}} :

where H B i {displaystyle H_{B_{i}}} shows the Hamiltonian corresponding to the clause C i {displaystyle C_{i}} , usually the choice of H B i {displaystyle H_{B_{i}}} won't depend on different clauses, so only the total number of times each bit involved in all clauses matters. Then it goes through an adiabatic evolution, ending in the Problem Hamiltonian H P {displaystyle H_{P}} :

H P = C H P , C {displaystyle H_{P}=sum limits _{C}^{}H_{P,C}}

where H P , C {displaystyle H_{P,C}} is the satisfying Hamiltonian of clause C. It has eigenvalues:

h C ( z 1 C , z 2 C z n C ) = { 0 clause  C  satisfied 1 clause  C  violated {displaystyle h_{C}(z_{1C},z_{2C}dots z_{nC})={begin{cases}0&{mbox{clause }}C{mbox{ satisfied}}\1&{mbox{clause }}C{mbox{ violated}}end{cases}}}

For a simple path of Adiabatic Evolution with running time T, consider: H ( t ) = ( 1 t / T ) H B + ( t / T ) H P {displaystyle H(t)=(1-t/T)H_{B}+(t/T)H_{P}} and let s = t / T {displaystyle s=t/T} , we have: H ~ ( s ) = ( 1 s ) H B + s H P {displaystyle {tilde {H}}(s)=(1-s)H_{B}+sH_{P}} ,which is the adiabatic evolution Hamiltonian of our algorithm.

According to the adiabatic theorem, we start from the ground state of Hamiltonian H B {displaystyle H_{B}} at beginning, go through an adiabatic process, and at last ending in the ground state of problem Hamiltonian H P {displaystyle H_{P}} . Then we measure the z-component of each of the n spins in the final state, this will produce a string z 1 , z 2 , , z n {displaystyle z_{1},z_{2},dots ,z_{n}} which is highly likely to be the result of our satisfiability problem. Here the running time T must be sufficiently long to assure the correctness of result, and according to adiabatic theorem, T is about ε / g m i n 2 {displaystyle varepsilon /g_{mathrm {min} }^{2}} , where g m i n = min 0 s 1 ( E 1 ( s ) E 0 ( s ) ) {displaystyle g_{mathrm {min} }=min _{0leq sleq 1}(E_{1}(s)-E_{0}(s))} is the minimum energy gap between ground state and first excited state.

The D-Wave One is a device made by a Canadian company D-Wave Systems which describes it as doing quantum annealing. In 2011, Lockheed-Martin purchased one for about US$10 million; in May 2013, Google purchased a D-Wave Two with 512 qubits. As of now, the question of whether the D-Wave processors offer a speedup over a classical processor is still unanswered. Tests performed by researchers at Quantum Artificial Intelligence Lab (NASA), USC, ETH Zurich, and Google show that as of now, there is no evidence of a quantum advantage.

相关

  • 叠层石叠层石(英语:Stromatolite,或称层叠石,源自希腊文strōma与lithos)可定义为“从某一点或有限的表面开始增生,并聚集石化,形成逐渐增大的沉淀物生成构造”。自然界中有许多不同型态
  • 肘是指手臂中部,连接上臂与前臂的铰链关节——肘关节附近的区域。有三块骨头与肘关节相连:上臂的肱骨、前臂的尺骨和桡骨。肘尖的突出物是尺骨鹰嘴,而肘内部的外表构造称为肘前
  • 硝化甘油硝酸甘油(Nitroglycerin)(C3H5N3O9),又称硝酸甘油酯、三硝酸甘油酯、三硝酸丙三酯,是甘油的三硝酸酯,是一种爆炸能力极强的炸药。1847年由都灵大学的化学家索布雷洛发明。常有人
  • 海底隧道海底隧道是在海底建造的连接海峡两岸的隧道,是供车辆、铁路通行的。海底隧道大可分为海底段、海岸段和引道三部分。其中海底段是主要部分,它埋置在海床底下,两端与海岸连接,再经
  • 纽约市长纽约市市长是美国纽约市政府的首长,任期为4年,可连任2次共8年。现任纽约市市长为比尔·白思豪,2014年1月1日到任。共和党 (2001年 - 2007年) 无党籍 (2007年-2018)民主党(2018-)
  • 召陵区.mw-parser-output ruby.zy{text-align:justify;text-justify:none}.mw-parser-output ruby.zy>rp{user-select:none}.mw-parser-output ruby.zy>rt{font-feature-settings:
  • 扬州话汉语方言研究者和一般扬州人常说的扬州话,一般指通行于江苏省扬州市广陵区及毗邻的少数乡村的方言,扬州四乡又称其街上话:4。扬州话属于汉语江淮官话洪巢片,常被用作江淮官话的
  • 虎尾机场战役虎尾机场战役,是1947年二二八事件,发生于云林县虎尾镇的一场战役。1947年3月1日晚间,天马茶房的消息传到虎尾后,虎尾闹区的虎尾座附近开始一阵骚动,街上开始发生本省人与外省人的
  • 海恩·塞弗罗海恩·塞弗罗(德语:Heinrich Severloh,1923年6月23日-2006年1月14日),德国军事人物,曾参与第二次世界大战。诺曼底战役时,其为驻守诺曼底的德国第352步兵师的一名士兵。其曾在2000年
  • 百战天龙 (2016年电视剧)《马盖先》(英语:)是一部于CBS频道播出的美国电视剧,为ABC频道电视剧《马盖先》(1985年至1992年)的重拍版。本剧于2016年9月23日首播。2016年10月17日,CBS将第一季增加集数至22集,第二季于2017年9月29日播出。2018年4月,本剧续订了第三季,并于2018年9月28日首播。2019年5月,本剧续订第四季,并于2020年2月7日首播。CBS于2021年4月上旬宣布,本剧第五季结束之后将不再继续,4月30日为本剧最后一集。故事叙述隶属美国政府秘密机构的马盖先(卢卡斯·提尔 饰)