Kvantový buněčný automat - Quantum cellular automaton

Kvantové celulární automat ( QCA ) je abstraktní model kvantového výpočtu , navržený v analogii s konvenčními modely buněčných automatů zavedených John von Neumanna . Stejný název může také odkazovat na buněčné automaty s kvantovými tečkami , které jsou navrhovanou fyzickou implementací „klasických“ buněčných automatů využíváním kvantově mechanických jevů. QCA přilákaly velkou pozornost díky své extrémně malé velikosti funkcí (v molekulárním nebo dokonce atomovém měřítku) a extrémně nízké spotřebě energie, což z ní dělá jednoho kandidáta na nahrazení technologie CMOS .

Použití výrazu

V kontextu modelů výpočtu nebo fyzikálních systémů kvantový buněčný automat označuje sloučení prvků jak (1) studia buněčných automatů v konvenční počítačové vědě, tak (2) studia kvantového zpracování informací . Konkrétně jde o vlastnosti modelů kvantových celulárních automatů:

  • Za výpočet se považuje paralelní provoz více výpočetních zařízení nebo buněk . Buňky jsou obvykle považovány za identické, konečně-dimenzionální kvantové systémy (např. Každá buňka je qubit ).
  • Každá buňka má sousedství dalších buněk. Dohromady tvoří síť buněk, které se obvykle považují za pravidelné (např. Buňky jsou uspořádány jako mřížka s periodickými okrajovými podmínkami nebo bez nich).
  • Vývoj všech buněk má řadu fyzikálních symetrií. Lokalita je jedna: další stav buňky závisí pouze na jejím aktuálním stavu a stavu jejích sousedů. Homogenita je další: evoluce působí všude stejně a je nezávislá na čase.
  • Stavový prostor buněk a operace na nich prováděné by měly být motivovány principy kvantové mechaniky.

Dalším rysem, který je často považován za důležitý pro model kvantových celulárních automatů, je to, že by měl být univerzální pro kvantový výpočet (tj. Že může účinně simulovat kvantové Turingovy stroje , libovolný kvantový obvod nebo jednoduše všechny ostatní kvantové celulární automaty).

Modely, které byly nedávno navrženy, ukládají další podmínky, např. Že kvantové buněčné automaty by měly být reverzibilní a / nebo lokálně jednotné a měly snadno určitelnou globální přechodovou funkci z pravidla pro aktualizaci jednotlivých buněk. Nedávné výsledky ukazují, že tyto vlastnosti lze odvodit axiomaticky ze symetrií globální evoluce.

Modely

První návrhy

V roce 1982 navrhl Richard Feynman počáteční přístup ke kvantování modelu celulárních automatů. V roce 1985 představil David Deutsch formální vývoj předmětu. Později Gerhard Grössing a Anton Zeilinger představili termín „kvantové celulární automaty“, aby odkazovali na model, který definovali v roce 1988, ačkoli jejich model měl jen velmi málo společného s koncepty vyvinutými Deutschem, a proto nebyl významně vyvinut jako model výpočet.

Modely univerzálního kvantového výpočtu

První formální model kvantových celulárních automatů, který měl být podrobně prozkoumán, představil John Watrous . Tento model dále vyvinuli Wim van Dam, stejně jako Christoph Dürr, Huong LêThanh a Miklos Santha, Jozef Gruska. a Pablo Arrighi. Později však bylo zjištěno, že tato definice byla příliš volná v tom smyslu, že některé její případy umožňují superluminální signalizaci. Druhá vlna modelů zahrnuje modely Susanne Richterové a Reinharda Wernera, Benjamina Schumachera a Reinharda Wernera, Carlose Pérez-Delgada a Donnyho Cheunga a Pabla Arrighiho, Vincenta Nesmeho a Reinharda Wernera. To vše spolu úzce souvisí a netrpí žádným takovým problémem s lokalitou. Nakonec lze říci, že všichni souhlasí s tím, aby si kvantové celulární automaty představovali jen nějaký velký kvantový obvod, který se nekonečně opakuje v čase a prostoru.

Modely fyzických systémů

Modely kvantových buněčných automatů navrhli David Meyer, Bruce Boghosian a Washington Taylor a Peter Love a Bruce Boghosian jako prostředek simulace kvantových mřížkových plynů, motivovaní použitím „klasických“ buněčných automatů k modelování klasických fyzikálních jevů, jako jsou disperze plynu. Kritéria určující, kdy lze kvantový buněčný automat (QCA) popsat jako kvantový mřížkový plynový automat (QLGA), uvedli Asif Shakeel a Peter Love.

Kvantové tečky celulárních automatů

Návrh implementace klasických celulárních automatů systémy navrženými s kvantovými tečkami navrhli Doug Tougaw a Craig Lent pod názvem „kvantové celulární automaty“ jako náhradu za klasické výpočty pomocí technologie CMOS. Aby bylo možné lépe rozlišit mezi tímto návrhem a modely celulárních automatů, které provádějí kvantový výpočet, mnoho autorů pracujících na tomto tématu to nyní označuje jako buněčný automat s kvantovou tečkou .


Viz také

Reference