Kvanttipiirejä

Kvanttipiirit on laskennan peruselementti, jossa kubitit eli kvanttitilaa kuvaavat yksiköt käsittelevät tietoa kvanttiporttien avulla. Piirin tavoite on toteuttaa kvanttilaskenta siten, että kubittien superposition ja kietoutuminen mahdollistavat tehtävien ratkaisemisen, joita perinteisillä ehdoilla ei nopeasti ratkaista. Lopullinen mittaus muuttaa kvanttitilan klassisiksi tuloksiksi.

Kubitit ja portit muodostavat piirin rakennuspalikoita. Kubitit voivat olla useassa tilassa samanaikaisesti, mikä mahdollistaa superpositionin. Kvanttiportteja ovat esimerkiksi yksikubitportit X, Y, Z, Hadamard (H) ja S- sekä T-portit sekä kaksikubitportit kuten kontrolloitu NOT (CNOT) tai CZ-portti. Mittausennusteet puretaan klassiseen rekisteriin. Piirin suunnittelussa käytetään usein kvanttiporttien sarjoja, joiden avulla kubitteihin vaikuttavat tilat muuntuvat halutulla tavalla.

Kvanttipiirit toteuttavat laskennan mallin, jota kutsutaan porttipohjaiseksi kvanttilaskentaksi. Universaalit portaattisarjat, kuten H, T ja CNOT, mahdollistavat minkä tahansa kvanttilaskennan muodostamisen oikeassa järjestyksessä. Piirien esitykset keskittyvät tilojen evoluutioon ajassa: alkuperäinen tila kehittyy porttien sovelluksen kautta.

Kvanttipiirejä rakennetaan eri teknologioilla, esimerkiksi superconducting qubits, trapped ions ja fotoniikka. Teknologiat eroavat kubittien eliniän, mittaustarkkuuden ja skaalautuvuuden suhteen. Sovelluksissa korostuvat algoritmit kuten Shorin ja Groverin sekä kvantsimulaatiot kemian ja materiaalitieteen aloilla, sekä laajentuneet optimointi- ja tiedonkäsittelyongelmat. Haasteina ovat virheiden hallinta, dekoherenssi ja tarve virheenkorjaukselle sekä fault tolerance -kyvyn kehittäminen.

Kanoninen kehitys jatkuu; standardien ja ohjelmointikielet ovat kehittymässä, jolloin kvanttipiirien suunnittelu ja toteutus voivat laajentua selvästi tulevina vuosina.