Як визначити квантові машини Тьюрінга?


52

Щодо квантових обчислень, яка еквівалентна модель машини Тьюрінга? Мені цілком зрозуміло, як квантові схеми можуть бути побудовані з квантових воріт, але як ми можемо визначити квантову машину Тюрінга (QTM), яка може насправді отримати вигоду від квантових ефектів, а саме працювати на високомірних системах?


9
Ця лекційна записка від Берклі дає відповідь. www.eecs.berkeley.edu/~vazirani/f97qcom/lec19.ps
Мохаммед Аль-

1
Насправді модель квантових схем та машина квантового твердіння рівнозначні, що було доведено ACYao.
Стрин

Відповіді:


30

( зауважте : повне опис трохи складний і має кілька тонкощів, які я вважав за краще ігнорувати. Далі - лише ідеї високого рівня для моделі QTM)

Визначаючи машину Квантового Тюрінга (QTM), хотілося б мати просту модель, схожу на класичну ТМ (тобто машину з кінцевим станом плюс нескінченну стрічку), але дозволити новій моделі перевага квантової механіки.

Аналогічно класичній моделі QTM має:

  1. - скінченна сукупність станів. Нехай q 0 - початковий стан.Q={q0,q1,..}q0
  2. , Γ = { γ 0 , . . } - набір вхідного / робочого алфавітуΣ={σ0,σ1,...}Γ={γ0,..}
  3. нескінченну стрічку і єдину «голову».

Однак, визначаючи перехідну функцію, слід нагадати, що будь-яке квантове обчислення повинно бути оборотним . Нагадаємо, що конфігурація TM являє собою кортеж що позначає, що TM знаходиться у стані q Q , стрічка містить T Γ ∗, а голова вказує на i- ту клітинку стрічки.С=(q,Т,i)qQТΓi

Оскільки в будь-який момент часу стрічка складається лише з кінцевої кількості незаповнених комірок, ми визначаємо (квантовий) стан QTM як одиничний вектор у просторі Гільберта породжений простором конфігурації Q × Σ × Z . Конкретна конфігурація C = ( q , T , i ) представлена ​​як стан | C = | д | T | я . (зауваження: Тому кожна комірка в стрічці являє собою Γ -вимірний простір Гільберта.)НQ×Σ×ZС=(q,Т,i)

|С=|q|Т|i.
Γ

QTM ініціалізується до стану , де T 0Г * є конкатенація вхід х Е * з багатьма «прогалини» в разі необхідності (тобто тонкість тут , щоб визначити довжину максимальної, але я його ігнорують).|ψ(0)=|q0|Т0|1Т0ΓхΣ

На кожному кроці часу стан QTM змінюється відповідно до деяких унітарних | ψ ( i + 1 ) = U | ψ ( i ) U

|ψ(i+1)=U|ψ(i)

Зауважте, що стан у будь-який час задається | ψ ( n ) = U n | ψ ( 0 ) . U може бути будь-яким унітаром, який "змінює" стрічку лише там, де розташована голова і переміщує голову на один крок вправо або вліво. Тобто, д ' , Т ' , я ' | U | д , Т , я дорівнює нулю , якщо I ' = я ± 1 ін|ψ(н)=Uн|ψ(0)Uq',Т',i'|U|q,Т,ii'=i±1 відрізняється від T лише в положенні i .Т'Тi

В кінці обчислення (коли QTM досягає стану ) вимірюється стрічка (використовуючи, скажімо, обчислювальну основу).qf

Цікавим є те, що кожен «крок» стану QTM - це супозиція можливих конфігурацій, що дає перевагу «квантовій» QTM.


Відповідь ґрунтується на Масанао Озаві, Про проблему зупинки для квантових машин твердіння . Дивіться також Девіда Дойча, квантову теорію, принцип Церкви Тьюрінга та універсальний квантовий комп'ютер .


7
Я не впевнений, що в початковому визначенні Девіда Дойча все правильно виходить ... це був перший раз, коли хтось намагався його визначити, і знадобилося певне уточнення, щоб з'ясувати правильне математично точне визначення.
Пітер Шор

7

Як вказує примітка, спосіб визначення QTM полягає у визначенні функції переходу як унітарного перетворення стану та літери. Отже, на кожному кроці ви уявляєте множення (стан, літера) вектора на перетворення, щоб отримати новий (стан, літера). Це не особливо зручно, але це можна визначити.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.