Како функционише квантно рачунање?

Квантно рачунање је алгоритамски поступак – састоји се из уређеног низа логичких операција које су све реверзибилне (јер су унитарне) а резултат рачунања доноси поступак квантног мерења који се обавља на крају алгоритма

Квантне логичке операције се, или изграђују од елементарних, основних логичких операција, или представљају операције чији је резултат унапред познат и у науци о рачунању се називају „црним кутијама (ореклима)“ (black boxes, oracles). Скуп елементарних логичких операција (СЕЛО) није једнозначан и бира се према једноставности физичке реализације на физичком хардверу квантног рачунара. Сваки СЕЛО обезбеђује универзалност квантног рачунања – то јест, способност да се, са великом вероватноћом, добије, макар приближно, тачан резултат за сваки рачунски задатак.

У теорији, квантно рачунање се обавља на регистрима – скуповима кубитова – на којима се обављају логичке операције уз, по правилу, коришћење квантне еплетености регистара. Само процес квантног мерења и „ресетовање“ регистара уноси трошење енергије. Квантна сплетеност обезбеђује основу за квантни паралелизам и тиме могућност бржег рачунања од одговарајућег класичног алгоритма.

Примера ради, једна од елементарних логичких операција је, тзв., „искључиво ИЛИ“ (XOR, или CNOT) која даје трансформације стања два кубита: \[|0\rangle|i\rangle\rightarrow|0\rangle|i\rangle, |1\rangle|i\rangle\rightarrow|1\rangle|NE\quad i\rangle\tag{1}\]

где „\(|NE \quad i\rangle\)“ означава логичку негацију вредности „i“ (NE \(0 =1\), NE \(1=0\)). Дакле, вредност првог кубита се не мења, а вредност другог се мења само ако је вредност првог једнака 1.

Права корист од ове трансформације лежи у њеној способности да уведе квантну сплетеност, тј., да унесе могућност коришћења квантног паралелизма. На пример, коришћењем израза (1): \[(c_0|0\rangle+c_1|1\rangle)|0\rangle\rightarrow c_0|0\rangle|0\rangle+c_1|1\rangle|1\rangle\tag{2}.\]

Мерење на првом кубиту сада може да да вредност 0 са вероватноћом \(|c_0 |^2\) и коначно стање пара кубита: \[|0\rangle|0\rangle,\tag{3}\] или вредност 1 са вероватноћом \(|c_1 |^2=1-|c_0 |^2\) и коначно стање пара кубита: \[|1\rangle|1\rangle.\tag{4}\]

Алгоритми изграђени од елементарних квантних капија и „црних кутија“ могу дати поступке чија је ефикасност далеко изнад сличних класичних алгоритама. Као примере наведимо Шоров алгоритам за факторисање великих бројева, као и Гроверов алгоритам за претрагу база података. Шоров алгоритам факторише велике бројеве (од више стотина цифара) у кратком времену, у поређењу са „астрономски“ дугим временом потребном за исто такво факторисање помоћу класичних алгоритама. Зато што је класично факторисање практично недосезиво (у разумном временском интервалу), постојећи криптографски протоколи (за тајну комуникацију) се и заснивају на поступку факторисања бројева. Дакле, постојеће тајно комуницирање преко Интернета је лака мета за Шоров алгоритам обављен на квантном рачунару.

Данас постоје платформе на којима се неки једноставни квантнорачунски протоколи и алгоритми могу обављати у реалном времену и јавно су доступни. То је прилика коју би заинтересовани ваљало да искористе.