Quantum Computing

Article, Bachelor thesis, Master thesis, Preprint English OPEN
Scarani, Valerio (1998)

The aim of this thesis was to explain what quantum computing is. The information for the thesis was gathered from books, scientific publications, and news articles. The analysis of the information revealed that quantum computing can be broken down to three areas: theories behind quantum computing explaining the structure of a quantum computer, known quantum algorithms, and the actual physical realizations of a quantum computer. The thesis reveals that moving from classical memory bits to quantum bits obeying the laws of quantum mechanics allows more complicated operations to be performed. This leads to new algorithms that seem to outperform classical computing on some important problems. Quantum computers can search for information and calculate mathematical Fourier transforms much faster than classical computers, which allows them to break modern encryption techniques. The quantum mechanical nature of quantum bits also leads to new challenges. The quantum bits are very unstable and the complicated nature of quantum computing makes it very hard to figure out new quantum algorithms. Only very small quantum computers, consisting of a few quantum bits, have been built. Theories about large quantum computers and quantum programming languages are being studied, but it is not known whether or not it is possible to build a large quantum computer. Quantum phenomena tend to stay on microscopic distances and there might be physical barriers that prevent large quantum computers from being built. Tämän opinnäytetyön tavoite oli selittää, mitä on kvanttilaskenta. Informaatio työtä varten kerättiin kirjoista, tieteellisistä julkaisuista ja uutisartikkeleista. Informaation analysointi osoitti, että kvanttilaskenta voidaan jakaa kolmeen osa-alueeseen: kvanttitietokoneen rakenteen selittäviin teorioihin, tunnettuihin kvanttialgoritmeihin ja varsinaisiin kvanttitietokoneen fysikaalisiin toteutuksiin. Lopputyössä selviää, että siirtyminen klassisista muistibiteistä kvanttimekaniikkaa noudattaviin bitteihin, mahdollistaa monimutkaisempien operaatioiden suorittamisen. Niiden avulla voidaan muodostaa uusia algoritmeja, jotka näyttävät ratkaisevan eräitä tärkeitä ongelmia klassista laskentaa nopeammin. Kvanttitietokoneet osaavat etsiä tietoa ja ratkaista matemaattisia Fourier muunnoksia selvästi nopeammin kun klassiset tietokoneet, minkä takia ne pystyvät murtamaan moderneja salausjärjestelmiä. Kvanttibittien kvanttimekaaninen luonne johtaa myös uusiin ongelmiin. Kvanttibitit ovat hyvin epävakaita ja kvanttilaskennan monimutkainen luonne tekee uusien kvanttialgoritmien kehittämisen vaikeaksi. Vain hyvin pieniä muutaman kvanttibitin kokoisia kvanttitietokoneita on rakennettu. Teorioita suurista kvanttitietokoneista ja kvanttiohjelmoinnista on kehitetty, mutta ei tiedetä, onko suurten kvanttitietokoneen rakentaminen mahdollista. Kvantti-ilmiöt tapaavat pysytellä mikroskooppisilla etäisyyksillä ja saattaa olla fysikaalisia esteitä, jotka estävät suurten kvanttitietokoneiden rakentamisen.
  • References (29)
    29 references, page 1 of 3

    2 Classical information theory 12 7 Quantum algorithms 29 2.1 Measures of information . . . . . . . . . 12 7.1 Simulation of physical systems . . . . . 29 2.2 Data compression . . . . . . . . . . . . . 13 7.2 aPlegroioridthfimndi.n.g .an.d. S.h.or.'s. f.ac.to.r.is.at.io.n. 29 2.3 The binary symmetric channel . . . . . 14 7.3 Grover's search algorithm . . . . . . . . 32 2.4 Error-correcting codes . . . . . . . . . . 15 8 Experimental quantum information processors 34 8.1 Ion trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 8.2 Nuclear magnetic resonance . . . . . . . 35 8.3 High-Q optical cavities . . . . . . . . . . 36

    5 Quantum Information 22 5.1 Qubits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 5.2 Quantum gates . . . . . . . . . . . . . . 22 5.3 No cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 5.4 Dense coding . . . . . . . . . . . . . . . 24 5.5 Quantum teleportation . . . . . . . . . . 25 5.6 Quantum data compression . . . . . . . 25 5.7 Quantum cryptography . . . . . . . . . 26

    Bennett C H, Brassard G, Cr´epeau C, Jozsa R, Peres A Bohm D 1951 Quantum Theory (Englewood Cliffs, N.

    and Wootters W K 1993 Teleporting an unknown quan- J.)

    Rosen channels, Phys. Rev. Lett. 70 1895-1898 Bohm D and Aharonov Y 1957 Phys. Rev. 108 1070

    Caves C M, Unruh W G and Zurek W H 1990 comment, Phys. Rev. Lett. 65 1387

    Ekert A and Macchiavello C 1996 Quantum error cor- Grover L K 1997 Quantum mechanics helps in searchrection for communication, Phys. Rev. Lett. 77 2585- ing for a needle in a haystack, Phys. Rev. Lett. 79, 2588 325-328

    Ekert A 1997 From quantum code-making to quantum code-breaking, (preprint quant-ph/9703035)

    Hamming R W 1950 Error detecting and error correcting codes, Bell Syst. Tech. J. 29 147

    van Enk S J, Cirac J I and Zoller P 1997 Ideal commu- Hamming R W 1986 Coding and information theory, nication over noisy channels: a quantum optical imple- 2nd ed, (Prentice-Hall, Englewood Cliffs)

  • Metrics
    1
    views in OpenAIRE
    0
    views in local repository
    0
    downloads in local repository
Share - Bookmark