kvanttitietojärjestelmissä

Kvanttitietojärjestelmät ovat tietokonejärjestelmiä ja kommunikaatiomekanismeja, jotka hyödyntävät kvanttimekaniikan perusilmiöitä tiedon esittämisessä ja käsittelyssä. Tiedon perusyksikkö on kvanttipiste, kvbit, joka voi olla samanaikaisesti useassa tilassa superposition tilassa. Lisäksi kvanteissa on kytkeytyneisyyden ilmiö, jonka avulla kahden tai useamman tilan tilat voivat olla toisistaan riippuvaisia riippumatta etäisyydestä. Ne mahdollistavat laskennan ja tiedonsiirron, joita ei perinteisillä(binary) järjestelmillä saavuteta samalla tavalla.

Toiminnan perusta koostuu kvanttipaikoista ja porteista, jotka toteuttavat yksikäänisiä (unitaarisia) muutoksia kvanttiin. Portteja käytetään kvanttikierrosten eli kvanttikaavioiden rakentamiseen: esimerkkejä ovat Hadamard-, Pauli- ja CNOT-porteja. Kvanttiprosession aikana tilat voidaan superponoida, taivaalla esiintyvien virheiden vuoksi tiloja on suojattava, ja tilat mitattaessa ne menettävät kvanttiominaisuutensa klassisiin tuloksiin.

Fyysiset toteutukset vaihtelevat suuresti. Järjestelmät voivat käyttää suprakonduktiivisia piirejä, vangittuja ioneja, fotoneita tai elektronin spin-tiloja kvanttipisteinä. Jokaisella tekniikalla on etujaan ja rajoituksiaan, kuten koherenssiaikojen pituus, mittaustarkkuus ja skaalauskyky.

Kvanttiviestinnässä käytetään muun muassa kvanttipuhelua ja kvanttitiedon jakamista, sekä kvanttikryptografiaa, kuten QKD:tä, jossa mittaukset ja kytkeytyminen mahdollistavat turvallisen avaimenjakamisen.

Sovellukset ulottuvat kryptografiasta ja optimoinnista materiaalitieteen simulointeihin sekä kemiallisen reaktioden mallintamiseen. Nykyisin suurin haaste on skaalautuvuus ja virheiden sietovaatimukset, mikä asettaa suuret tekniset vaatimukset virheenkorjaukselle jaarkinrakenteelle.

Kvanttitietojärjestelmät kehittyvät seuraavina vuosina kohti luotettavampia ja suurempia kokoonpanoja, mutta ne ovat toistaiseksi usein rajattuja NISQ-tilanteeseen, jossa lasketaan ilman täyttä virheenkorjausta.