[论文解读] Quantum-Computation and Applications

Bhupesh Bishnoi|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 2

一句话总结

本文探讨了量子计算的基础原理及其实际应用，强调其在摩尔定律之后的兴起，以及在原子、光子和超导体等各种系统中实现量子比特的物理实现。文章突出了与经典计算在算法上的差异、工程挑战，以及通过 IBM Quantum Experience 实现的现实世界应用，展示了早期阶段的量子优势潜力。

ABSTRACT

In this research notebook on quantum computation and applications for quantum engineers, researchers, and scientists, we will discuss and summarized the core principles and practical application areas of quantum computation. We first discuss the historical prospect from which quantum computing emerged from the early days of computing before the dominance of modern microprocessors. And the re-emergence of that quest with the sunset of Moore's law in the current decade. The mapping of computation onto the behavior of physical systems is a historical challenge vividly illustrate by considering how quantum bits may be realized with a wide variety of physical systems, spanning from atoms to photons, using semiconductors and superconductors. The computing algorithms also change with the underline variety of physical systems and the possibility of encoding the information in the quantum systems compared to the ordinary classical computers because of these new abilities afforded by quantum systems. We will also consider the emerging engineering, science, technology, business, and social implications of these advancements. We will describe a substantial difference between quantum and classical computation paradigm. After we will discuss and understand engineering challenges currently faced by developers of the real quantum computation system. We will evaluate the essential technology required for quantum computers to be able to function correctly. Later on, discuss the potential business application, which can be touch by these new computation capabilities. We utilize the IBM Quantum Experience to run the real-world problem, although on a small scale.

研究动机与目标

• 考察从经典计算到摩尔定律之后时代的量子计算历史演变。
• 分析量子计算如何映射到各种物理系统，如原子、光子、半导体和超导体。
• 对比量子计算与经典计算范式，重点关注信息编码与处理方式的差异。
• 识别并评估构建功能性量子计算系统的核心工程挑战。
• 研究由新兴量子计算能力所推动的潜在商业与社会应用。

提出的方法

• 追溯量子计算从经典计算起源的发展历程，以及摩尔定律终结后推动其复兴的背景。
• 将量子计算映射到多种物理系统，包括囚禁离子、光子系统和超导电路。
• 分析量子算法及其对底层物理量子比特实现的依赖性。
• 评估真实量子系统中误差缓解、相干性和门保真度的技术要求。
• 利用 IBM Quantum Experience 平台执行并演示小规模现实世界的量子计算。
• 评估可扩展量子计算在工程、科学及经济社会层面的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 摩尔定律的局限性如何催化了对量子计算的重新关注？
• RQ2 哪些物理系统能够实现量子比特？它们如何影响量子算法的设计？
• RQ3 量子计算与经典计算范式在信息编码与处理方面存在哪些根本性差异？
• RQ4 在开发容错、可扩展的量子计算系统方面，主要的工程挑战是什么？
• RQ5 当前阶段的量子计算能力能够支持哪些现实世界的商业应用？

主要发现

• 在摩尔定律的物理与经济极限之后，量子计算重新成为关键的研究前沿。
• 量子比特可在多种系统中实现，包括原子、光子、半导体和超导电路。
• 量子计算范式通过叠加和纠缠，实现了与经典系统根本不同的信息处理方式。
• 在保持相干性、最小化错误以及可靠扩展量子比特系统方面，仍存在重大的工程挑战。
• 已通过 IBM Quantum Experience 平台成功执行小规模现实问题，展示了早期实际可行性。
• 新兴应用涵盖工程、科学、商业与社会领域，显示出广泛而深远的变革潜力。