反事実的量子計算とは、その計算をアクティブに実行できる 量子コンピュータを実際に実行せずに、計算の結果を推測する方法です。
概念の起源
物理学者のグレアム・ミッチソンとリチャード・ジョザは、反事実的明確性の概念、エリツァー・ヴァイドマンの爆弾試験装置の思考実験の再解釈、相互作用のない測定の現象の理論的利用に基づいて、量子コンピューティングの応用として反事実的コンピューティング[1 ]の概念を導入しました。
アイザック・ニュートン研究所でのジョザによる反事実的計算に関する講演を見た後、ロンドン大学バークベック・カレッジ理論物理学研究ユニットのキース・ボウデンは、このアイデアの例として、光線が迷路を通過できないかどうかを計算するために反事実的に問い合わせることができるデジタルコンピュータを説明する論文[2]を1997年に発表しました[3]。
最近では反事実的量子通信のアイデアが提案され、実証されました。[4]
方法の概要
量子コンピュータは物理的には任意の方法で実装できるが[5]、現在までに検討されている一般的な装置にはマッハ・ツェンダー干渉計が搭載されている。量子コンピュータは、量子ゼノン効果などの手段によって、「非動作」状態と「動作」状態の重ね合わせ状態に設定される。これらの状態履歴は量子干渉を受ける。非常に高速な射影測定を何度も繰り返すことで、「非動作」状態は量子コンピュータの特性に刻み込まれた最終値へと進化する。この値を測定することで、グローバーアルゴリズムなどの一部の計算結果を、たとえ量子コンピュータの非動作状態から導出された結果であっても 学習することができる[6] 。
意味
反事実的量子計算の元々の定式化[1]では、測定結果の集合mが反事実的結果となるのは、mに関連付けられた履歴が1つしかなく、その履歴には「オフ」（実行されていない）状態しか含まれておらず、 mに関連付けられた計算出力は1つしかない場合であると述べられています。
手順と条件で表現された反事実的計算の洗練された定義[7]は次の通りである: (i) 測定結果の同じ集合mにつながるすべての履歴 (量子経路) を必要な数のラベルで識別してラベル付けし、(ii) すべての可能な履歴を首尾一貫して重ね合わせる。(iii) 複素振幅を合計してゼロになる項 (ある場合) をキャンセルした後、測定結果の集合mが反事実的結果である場合、(iv) 履歴ラベルにコンピュータ実行ラベルを持つ項が残っていないこと、および (v) mに関連付けられたコンピュータ出力が 1 つだけあること。
ミラーアレイ
1997年、アブナー・シモニーおよびリチャード・ジョザと議論した後、また1993年のエリツァー・ヴァイドマン爆弾試験装置のアイデアに触発されて、キース・ボウデン（バークベック大学）は論文[2]を発表した。この論文では、光子が鏡の迷路を通過できないかどうかを反事実的に調べることができるデジタルコンピュータについて述べている。[3]このいわゆるミラーアレイは、エリツァーとヴァイドマンの装置（実際はマッハ・ツェンダー干渉計）の暫定的な爆弾に取って代わるものである。4回に1回は、光子がミラーアレイを通過していなくても、迷路がナビゲートできないことを示すような形で光子が装置から出てくる。ミラーアレイ自体は、n行n列のビット行列で定義されるように設定されている。出力（失敗かそうでないか）自体は1ビットで定義される。したがって、ミラーアレイ自体は、 n乗ビット入力、1ビット出力のデジタルコンピュータであり、迷路を計算し、反事実的に実行することができます。装置全体は明らかに量子コンピュータですが、反事実的にテストされる部分は半古典的です。
実験的デモンストレーション
2015年には、「ダイヤモンド中の負に帯電した窒素空孔カラーセンターのスピン」という実験的文脈において、反事実的量子計算が実証されました。[8]これまで予想されていた効率の限界を超え、原理的に予測されていたより高い効率で、反事実的計算効率85%を達成しました。[9]
参考文献
- ^ ab Mitchison, Graeme; Jozsa, Richard (2001年5月8日). 「反事実的計算」. Proceedings of the Royal Society of London A. 457 ( 2009): 1175– 1193. arXiv : quant-ph/9907007 . Bibcode :2001RSPSA.457.1175M. CiteSeerX 10.1.1.251.9270 . doi :10.1098/rspa.2000.0714. S2CID 16208575.
- ^ ab Bowden, Keith G, 「古典的計算は反事実的になり得る」, Aspects I, Proc ANPA19, Cambridge 1997 (1999年5月発行), ISBN 0-9526215-3-3
- ^ ab Bowden, Keith (1997-03-15). 「シュレーディンガーの猫は波動関数を崩壊させることができるか？」. 2007年10月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年12月8日閲覧。（「古典的計算は反事実的になり得る」のオリジナル版）
- ^ Liu Y, et al. (2012)「反事実的量子通信の実験的実証」Phys Rev Lett 109:030501
- ^ Hosten, Onur; Rakher, Matthew T.; Barreiro, Julio T.; Peters, Nicholas A.; Kwiat, Paul G. (2005年12月14日). 「量子尋問による反事実的量子計算」. Nature . 439 (7079): 949– 952. Bibcode :2006Natur.439..949H. doi :10.1038/nature04523. PMID: 16495993. S2CID : 3042464.
- ^ Mitchison, Graeme; Jozsa, Richard (2008年2月1日). 「反事実的計算の限界」. arXiv : quant-ph/0606092 .
- ^ Hosten, Onur; Rakher, Matthew T.; Barreiro, Julio T.; Peters, Nicholas A.; Kwiat, Paul (2006年6月26日). 「反事実的計算の再考」. arXiv : quant-ph/0607101 .
- ^ コン、フェイ;チュ・チェニョン。黄、浦。王、鵬飛。コン、シー。シー、ファザン。ジャン、リャン。杜、江峰（2015 年 8 月 21 日）。 「高効率反事実計算の実験的実現」。物理的なレビューレター。115 (8) 080501。ビブコード:2015PhRvL.115h0501K。土井: 10.1103/PhysRevLett.115.080501。PMID 26340170。
- ^ Zyga, Lisa. 「『実行せずに計算する』量子コンピュータが効率記録を樹立」Phys.org . Omicron Technology Limited . 2015年9月6日閲覧。
