Kvantarvuti
Kvantarvuti on arvuti, mis kasutab informatsiooni töötluseks kvantmehaanika fenomene, näiteks superpositsiooni ja põimumist, et andmeid muuta. Kvantarvuti erineb tavalisest transistoritel põhinevast arvutist. Täie jõuga kvantarvuti on praegu veel hüpoteetiline seade, selle ehitamise võimalus on seotud kvantteooria tõsise arenemisega paljude osakeste ja raskete eksperimentide valdkonnas; see töö praeguseks ajaks on esimus füüsikas. Piiratud (10 kvantbitini) kvantarvutid on juba ehitatud; kvantarvutite elemente on võimalik kasutada arvutamiste efektiivsuse suurenemisel juba eksisteerival aparaadibaasil. Põhiline printsiip kvantarvutite taga on, et kvantmaailma omadusi on võimalik kasutada, et näha andmeid ning neid andmeid töödelda. Üks teoreetiline mudel on kvant-Turingi masin, tuntud ka nime all universaalne kvantarvuti. Kvantarvutid jagavad teoreetilisi omadusi, mis on sarnased mitte-determinantsete ning tõenäosus-arvutitega, nagu näiteks omadus olla korraga mitmes olekus. Kvantarvuti ehitamise idee pakkus 1980. aastal välja matemaatik Juri Manin, kes raamatu "Вычислимое и невычислимое" sissejuhatuses (lk 15) esitas kvantautomaatide idee, mida toetasid füüsikud, näiteks P. Benioff ja Nobeli auhinna laureaat Richard Feynman (kes esmalt tutvustas kvantarvutite ala aastal 1982). Kvantarvutite vajadus tekib siis, kui me üritame uurida füüsiliste meetodite abil raskeid ja paljuosakeselisi süsteeme, mis on bioloogilistega sarnased. Kvantseisundis selliste süsteemide ruum kasvab nagu arvu n {\displaystyle n} eksponent, mis koosneb reaalsetest osakestest, mis teeb võimatuks nende käitumise modelleerimist klassikalistel arvutitel juba n = 10 {\displaystyle n=10} jaoks. See oligi Feynmani jaoks põhjus ehitada kvantarvuti. Kvantarvuti ei kasuta arvutamiseks tavalisi (klassikalised) algoritme, vaid kvantmehaanilise protsesse, nn kvantalgoritme. Kuna klassikaline protsessor võib igal ajahetkel olla täpselt ühes seisus | 0 ⟩ , | 1 ⟩ , … , | N − 1 ⟩ {\displaystyle |0\rangle ,|1\rangle ,\ldots ,|N-1\rangle } , (Diraci tähis), siis kvantprotsessor iga ajahetkel on ühel ajal kõikides baasisseisundites ja igas seisundis | j ⟩ {\displaystyle |j\rangle } – oma kompleksamplituudiga λ j {\displaystyle \lambda _{j}} . Seda kvantseisundit nimetatakse kvantsuperpositsiooniks ja seda määratakse: | Ψ ⟩ = ∑ j = 0 N − 1 λ j | j ⟩ . {\displaystyle |\Psi \rangle =\sum \limits _{j=0}^{N-1}\lambda _{j}|j\rangle .} Kui baasisseisundid võivad olla raskemal kujul, siis kvantsuperpositsiooni saab illustreerida, näiteks nii: "Kujutage ette aatom, mis saaks radioaktiivselt kokku variseda määratud ajahetkel. Või ei saaks. Võime eeldada, et sellel aatomil on ainult kaks võimalikku seisundit: "kokkuvarisemine" ja "mittekokkuvarisemine",/…/ aga kvantmehaanikas aatomil saab olla ühendatud seisund – "kokkuvarisemise"-"mittekokkuvarimise" seisund, teisisõnu mitte üks ega teine, aga midagi keskel. Selline seisund ongi "superpositsioon" ». Kvantseisund | Ψ ⟩ {\displaystyle |\Psi \rangle } saab muutuda aja jooksul kahel moel: unitaarne kvantoperatsioon (edaspidi: kvantventiil; inglise keeles quantum gate); mõõde (järelevalve). Kuna klassikaline seisund | j ⟩ {\displaystyle |j\rangle } on ruumiline elektronide rühma seisund kvantpunktides, leiduvad ruumilised elektronide rühmade seisundid kvantpunktides, mis on juhendatud välisväliga V {\displaystyle V} ja unitaarne operatsioon on Schrödingeri võrratuse lahendus selle potentsiaali jaoks. Mõõtmine on juhuslik suurus, mis võtab väärtuseks | j ⟩ ,   j = 0 , 1 , … , N − 1 {\displaystyle |j\rangle ,\ j=0,1,\ldots ,N-1} tõenäosustega | λ j | 2 {\displaystyle |\lambda _{j}|^{2}} vastavalt. See ongi kvant-mehaaniline Borni reegel. Mõõtmine on ainuke võimalus saada informatsiooni kvantseisundist, sest väärtusi λ j {\displaystyle \lambda _{j}} me ei tea. Kvantseisundi mõõtmine ei saa olla tõmmatud kokku unitaarse Schrödingeri evolutsioonini, sest viimasest erinedes, see on pöördamatu. Mõõtmise ajal toimub nn lainelise funktsiooni kollaps | Ψ ⟩ {\displaystyle |\Psi \rangle } , mille füüsiline loodus ei ole lõpuni uuritud. Spontaansed kahjutoovad seisundi mõõtmised mõõtmise käigus viivad dekoherentsuseni, teisisõnu unitaarse evolutsioonist kõrvalekaldele, mis on peamine takistus kvantarvuti ehitamisele (vt Füüsilised kvantarvutite ellurakendamised). Kvantmõõtmised on klassikalise juhendava arvutiga kontrollitav unitaarsete operatsioonide järjend lihtsal kujul (ühe, kahe või kolme kvantbitiga). Mõõtmise lõpus kvantprotsessori seisundit mõõdetakse, mis annabki otsitava tulemuse. "Kvantparallelismi" definitsiooniks võiks olla see: "Mõõtmisprotsessis andmed kujutavad ennast kvandinformatsiooni, mis muundub klassikaliseks protsessi lõpus kvantregistri lõppseisundi mõõtmisega. Kvantalgoritmid võidavad sellega, et ühe kvantoperatsiooni kasutamisel suur hulk kvantseisundite superpositsiooni koefitsiente, mis virtuaalsel kujul koosnevad klassikalisest informatsioonist, muunduvad korraga."