Як реально реалізуються квантові ворота?

Квантові ворота здаються схожими на чорні ящики. Хоча ми знаємо, яку операцію вони будуть виконувати, ми не знаємо, чи реально це реально реалізувати (чи, чи не так?). У класичних комп’ютерах ми використовуємо AND, NOT, OR, XOR, NAND, NOR тощо, які в основному реалізуються за допомогою напівпровідникових пристроїв, таких як діоди та транзистори. Чи є подібні експериментальні реалізації квантових воріт? Чи є якісь «універсальні ворота» у квантових обчисленнях (як, наприклад, ворота NAND є універсальними у класичних обчисленнях)?

Можна повторити будь-які квантові ворота або принаймні довільно закрити, використовуючи достатню кількість воріт обертання CNOT, H, X, Z та $\pi/8$ . Це тому, що вони утворюють універсальний набір квантових воріт (див.: М. Нільсен та І. Чуанг, Квантове обчислення та квантова інформація, Cambridge University Press, 2016, стор. 189 ). Будьте обережні тут. Зрозуміло, що ми не можемо реалізувати будь-які довільні квантові ворота $U$ з нескінченною точністю. Натомість, задаючи $\epsilon>0$ , ми реалізуємо $U_{\epsilon}$ , що є $\epsilon$ -закрити $U$ (див.:Квантова механіка та квантове обчислення MOOC, запропоновані UC Berkely на EdX ). Ця недосконалість квантових воріт є однією з головних причин, що нам потрібні коди виправлення помилок .

Були спроби впровадити ці основні ворота. Я додаю кілька останніх дослідницьких робіт, пов’язаних із цими спробами:

• CNOT: Побудова контрольованого НЕ затвора на основі мікрохвильового фазового затвора (MAP) у двох системах транскому та на основі атомів Райдберга на основі мезоскопічних затворів $\text{CNOT}^{\text{N}}$ основі STIRAP

• Адамард (H): підхід до реалізації квантового гамадарівського воріт шляхом оптичної реалізації

• Фазовий фліп (Z): Етапна реалізація мультибітового затвора з контрольованою фазою і реалізація квантового контрольованого фазового відкидання через квантову крапку в кремній-хвильовому фотонічному кристалічному хвилеводі

• Біт фліп (X): ворота перегортання хіральних спінів, впроваджені в квантовий досвід IBM

• $\pi/8$

Як згадує Вікіпедія, інший набір універсальних квантових воріт складається з воріт Ізінга та шлюзу фазового зсуву. Це набір воріт, наявних у деяких квантових комп'ютерах із захопленими іонами ( демонстрація невеликого програмованого квантового комп'ютера з атомними кубітами ).