kvanttipiirit

Kvanttipiiri on malli kvanttilaskennasta, jossa tieto käsitellään qubiteina (kvanttialkuperä) ja tilanmuutokset toteutetaan porteilla. Laskenta etenee sarjana porteista, ja lopuksi mitataan qubitit, jolloin saadaan klassisia tuloksia. Piiri määrittelee, kuinka kvanttitilat kehittyvät vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Qubitet ovat kaksitasoisia järjestelmiä, jotka voivat olla superpositiossa ja voivat olla toisiinsa kytkeytyneitä eli sitoutuneita (entanglement). Kreittääessä tilalle voidaan saada monimutkaisia tilakoostumuksia, mutta mittaamalla tilan ominaisuuksia paljastuu vain klassinen tulos. Piirin toiminta on matemaattisesti kuvattavissa yksikköoperaatioina; mittaus tuottaa klassisen arvon.

Portit jakautuvat yksittäis- ja kaksinapoisiin porteihin. Yksittäisportteja käytetään kvanttiominaisuuksien muokkaamiseen X-, Y- ja Z-portteineen sekä Hadamard- (H), S- ja T-portteineen. Kaksinapaiset portit, kuten CNOT (Controlled-NOT) ja CZ (Controlled-Z), luovat qubitien välisen kytkeytyneisyyden. Yleistettynä minkä tahansa universaalin porttijoukon on koostuttava ainakin kaikista yksittäisporteista ja yhdestä kaksinapaisesta tieteellisesti kytkevää portista; näillä voidaan toteuttaa minkä tahansa kvanttitoiminnon.

Kvanttipiirit toteutetaan erilaisilla laitteistoilla. Tavallisimpia alustoja ovat suprakonduktiviset piirit (esim. transmon-qubitit ja Josephson-kytkimet), vangitut ionit sekä fotonipohjaiset järjestelmät. Toteutus vaikuttaa porttien toteutustapaan ja mittauksiin sekä Herätysvirheisiin ja dekoherenssiin. Kvanttivirheen kutakin projektia leimaa tarve virheenkorjaukselle ja suuremmalle luotettavuudelle.

Käyttökohteita ovat kvanttialgoritmit, kuten Groverin hakualgoritmi ja Shorin sortin hajontalaskenta, sekä simuloinnit kemiallisista järjestelmistä. Kvanttipiiriä voidaan ohjelmoida piirin suunnittelun ja käännöksen kautta; tulokset syntyvät tilastollisina mittauksina useiden toistojen perusteella.