Kvanttipiireillä

Kvanttipiireillä tarkoitetaan laskentajärjestelmiä, joissa tieto tallennetaan ja käsitellään kvanttitiloina, joita kutsutaan qubiteiksi. Tilojen muokkaus tapahtuu kvanttiporteilla eli gateilla, joilla voidaan käsitellä yhtä tai useampaa qubittia samanaikaisesti. Kvanttipiiri kuvaa laskennan etenemisen ajan mittaan porttien muodostamana ketjuna; tilat kehittyvät yksikköoperaatioiden kautta ja lopuksi mitataan osa tai kaikki qubitit, joiden mittaustulokset antavat klassisen lopputuloksen.

Kvanttipiirien teoreettinen perusta on universaali porttijoukko: joukko porteja, joiden avulla voidaan rakentaa minkä tahansa kvanttioperaation. Esimerkkejä yleisistä porteista ovat Hadamard-portti (H), Pauli-portit X, Y ja Z, fase-portti S ja T sekä kaksikytkentäportti CNOT. Yhdessä näiden portaiden soveltaminen mahdollistaa minkä tahansa kvanttilaskennan toteuttamisen. Tilojen kehitys on yksikköoperaation alaista, ja mittaukset muodostavat ei-unitaarisen vaiheen.

Käytännössä kvanttipiirejä rakennetaan eri teknologioilla, kuten suprajohtuvilla qubiteilla (esim. transmonit), ionilaitteistoilla ja fotonisilla järjestelmillä. Haasteina ovat decoherence ja virheet, jotka rajoittavat laskennan pituutta ja tarkkuutta. Tämän vuoksi kehitetään kvantti-virheenkorjausta ja virheenkorjauskoodeja sekä kehittyneitä laitteistoratkaisuja. Silti kvanttipiireillä on merkittäviä potentiaalita sovelluksille, kuten kemiallisten järjestelmien simulaatioille ja tietyntyyppisille hakualgoritmeille.

Historian kannalta kvanttipiirien käsite kehittyi 1980–1990-luvulla, ja käytännön kokeet ovat edistyneet 2000-luvulla. Nykyään suurimmat kokeelliset saavutukset liittyvät useiden kymmenien qubitin piireihin sekä demonstraatioihin kvanttilaskennan perusperiaatteista ja mahdollisista nopeuksista joillakin tehtävillä.