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DiVincenzo判据

2018-01-18

量子计算的实现, 有两个层面的考虑。一个是抽象层面上,以何种方式实现量子计算, 我们称之为量子计算的模式。最常见、以及在物理应用中广泛采纳的量子计算模式是基于逻辑网络的量子计算模式, 它以量子逻辑门为基础, 其表述类似于经典计算机中的电子线路。其它主要的量子计算模式还有基于整体控制的量子计算模式, 绝热量子计算模式, 和one-way量子计算模式或者称作基于测量的量子计算模式。


另一个层面是物理实现层面, 即在何种具体的物理系统里来实现量子计算, 或者说建造量子计算机。而判定物理系统是否可用来做量子计算体系的标准,一般使用被人们广泛接受的DiVincenzo判据。D. P. Divinvenzo提出在某个物理系统中建造量子计算机必须满足以下五个条件:


1. 具有可掌控的量子比特,并具有可扩展性。(A scalable physical system with well characterised qubits)

“可掌控的量子比特”意思是首先能够实现量子比特,其次该量子比特的物理参数、它与其它量子比特的相互作用以及与环境的相互作用都必须很清楚。“可扩展性”是指能够实现的量子比特数量要具有一定的规模拥有几百到上千个量子比特的量子计算机才真正具有比经典计算机优越的性能,其中所有的量子比特之间应当能够互相分辨,单独操作,以及从整体上完全掌控它们的行为。


2. 能够将量子比特初始化到一个简单的量子态, 比如image.png。(The ability to initialise the state of the qubits to a simple state)

这个条件包含两方面的要求。一是量子计算机的初始化。量子计算机应该能重复使用,在开始新的量子计算任务之前必须将所有量子比特置于一个己知的态, 比如image.png。另一个是量子纠错的要求,它要求在计算过程中能够源源不断地提供这种空白量子比特。


3. 能在较长时间内保持量子相干性,或者说退相千时间要远大于量子逻辑门操作时间。(Long relevant coherence times, much longer than the gate operation time)

量子比特与环境的藕合会导致其量子相干性的丧失。人们通常把量子比特退相干时间与量子逻辑门操作时间的比率称为品质因子。品质因子在104~105才能满足量子纠错的需要。


4. 能够进行普适量子逻辑门操作。(A universal set of quantum gates)

后面章节会介绍,任意的量子么正操作都可以通过一组普适量子逻辑门来实现。因而该条件保证了该量子计算机可以完成任意的量子计算任务。


5. 能够进行单量子比特的测量。(A qubit specitic measurement capability)

这个条件对应于量子信息的读出。


除以上五条外, D. P. Divinvenzo后来又添加了两条关于实现量子计算机网络的要求:

6. 本地量子比特和飞行量子比特能够互相转化。(The ability to interconvert stationary and flying qubits)

7. 能够在两地间传播飞行量子比特。(The ability to faithfully transmit flying qubits between specified locations)

上述两条要求与另一个研究领域—量子通讯—紧密相关。量子通讯与量子计算是两个互相并行的研究分支,它们统称为量子信息科学。

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