[论文解读] Beyond Quantum Computers

Giulio Chiribella, Giacomo Mauro D’Ariano+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2009

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新型高阶量子计算形式，其超越了标准量子线路模型，能够实现几何叠加的连接关系与非固定的因果结构。研究表明，此类计算在物理上是可行的，但与传统量子线路模型从根本上不相容，暗示其对量子力学与量子引力的深远影响，超越了当前的计算范式。

ABSTRACT

The manuscript poses and addresses a new very fundamental issue in Quantum Computer Science, which is going to have a radical impact on the way we currently conceive quantum computation. We show that there exists a new kind of higher-order quantum computation, potentially much more powerful than the usual quantum processing, which is feasible, but cannot be realized by a usual quantum circuit. In order to implement this new kind of computations one needs to change the rules of quantum circuits, also considering circuits with the geometry of the connections that can be itself in a quantum superposition. The new kind of computation poses also fundamental problems for unexplored aspects of quantum mechanics in a non-fixed causal framework, which go far beyond computer-science problems, and may be of relevance in quantum gravity.

研究动机与目标

• 研究一种新型量子计算类别的可行性，该类别在标准量子线路模型之外运行。
• 探讨当量子线路连接的几何结构本身处于叠加态时，量子计算如何实现。
• 考察非固定因果框架对量子力学与量子引力的影响。
• 识别当前量子线路形式化在描述先进量子过程时的根本局限性。

提出的方法

• 提出一种新颖的计算模型，其中量子线路的拓扑结构——特别是连接的几何结构——可处于量子叠加态。
• 在因果顺序不固定的框架中重新诠释量子计算，允许出现不确定的因果结构。
• 引入从基于线路的计算到更高阶形式化的理论转变，将连接视为量子自由度。
• 利用量子基础与量子引力的原理分析此类模型的含义。
• 证明此类计算在物理上是可行的，但无法被标准量子线路模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子计算能否在固定量子线路架构的限制之外实现？
• RQ2 允许量子连接的几何结构处于叠加态会产生何种后果？
• RQ3 不确定的因果顺序如何影响量子力学与量子计算的基础？
• RQ4 此类高阶量子过程能否提供标准量子线路无法实现的计算优势？

主要发现

• 存在一类新的高阶量子计算，其在物理上是可行的，但无法通过标准量子线路实现。
• 量子线路连接的几何结构可处于量子叠加态，从而开启根本上全新的计算路径。
• 此类计算要求放弃固定的因果结构，促使在非因果框架下重新审视量子力学。
• 该模型暗示了量子计算、量子引力与基础量子理论之间存在深刻联系。