Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Kvantdator“

Kvantdatorer är en unik form av datorer som har fördelar över traditionella datorer i speciellaanvändningsområden. Ett av de områdena är den teoretiska möjligheten att knäcka deasymmetriska krypteringsmetoder som dagens kommunikation förlitar sig på. Arbetet inriktarsig på just RSA som idag är den vanligaste krypteringsmetoden. Säkerheten hos RSA ärbaserad på att faktoriseringsproblemet och svårigheten av att faktorisera stora tal vilket ärnågot traditionella datorer behöver hundratals år för att klara av. Kvantdatorer med sinenorma beräkningskapacitet kan potentiellt klara av samma primtalsfaktorisering under enbråkdel av tiden. Dagens kvantdatorer är inte tillräckligt utvecklade och saknarberäkningsförmågan för att vara ett hot, uträkningsförmågan beror på mängden kvantbitarsom är sammankopplade. Det största hindret kvantdatorer står inför är framsteg inomfeltolerans som ger möjligheten att bygga kvantdatorer med ett större antal kvantbitar som ärihopkopplade. När kvantdatorer når en punkt med tillräckligt många kvantbitar för att hotakryptering är en svår fråga att besvara men enligt studien bör det komma att ta många årinnan det kvantdatorer blir relevanta för det syftet. För att kunna göra en kvalificerad gissningpå när detta kommer inträffa kombineras flera experters syn av ämnet och en framtidsprognosbaserad på en regressionsanalys. Att nå möjligheten att knäcka RSA 2048 mellan år 2064 och2066 med 50 tusen kvantbitar anses vara någorlunda rimligt enligt den data och uträkningarsom utförts i arbetet.

Quantum computers can theoretically perform certain tasks which classical computers at realistic times could not. Operating a quantum computer requires precise control over the system, for instance achieved by adiabatic evolution, and isolation from the environment to retain coherence. This report combines these two, somewhat contradicting, error preventing techniques. To reduce the run-time a transitionless quantum driving algorithm, or, adiabatic shortcut, is employed. The notion of Noiseless Subsystems (NS), a generalization of decoherence free subspaces, are used for robustness against environmental decoupling, by creating logical qubits which act as a noiseless code. Furthermore, the adiabatic shortcut for the NS code is applied to a refocusing scheme (spin-echo) in order to remove the dynamical phase, sensitive to error propagation, so that only the Berry phase is effectively picked up. The corresponding Hamiltonian is explicitly derived for the only two cases of two-dimensional NS: N=3,4 qubits with total spin of j=1/2,0, respectively. This constitutes geometric quantum computation (GQC) enacting a universal single-qubit gate, which is also explicitly derived.
Kvantdatorer kan teoretiskt utföra vissa uppgifter som klassiska datorer vid realistiska tider inte kan. Att köra en kvantdator kräver exakt kontroll över systemet, till exempel genom adiabatisk utvecking, och isolering från omgiviningen för att behålla koherens. Denna rapport kombinerar dessa två, något motsägelsefulla, tekniker för felhantering. För att minska körtiden används en övergångsfri kvantkörningsalgoritm, också kallad adiabatisk genväg. Konceptet brusfria delsystem, en generalisering av dekoherensfria underrum, används för robusthet mot sammanflätning med omgivningen genom att skapa logiska kvantbitar som fungerar som en brusfri kod. Vidare tillämpas den adiabatiska genvägen för den brusfria koden på ett spinn-eko för att eliminera den dynamiska fasen, som är känslig för felpropagering, så att endast Berrys fas, som är okänslig för felpropagering, effektivt plockas upp. Motsvarande Hamiltonian härleds uttryckligen för de enda två fallen av tvådimensionella brusfria delsystem: 3 eller 4 kvantbitar med respektive totalspinn j = 1/2 och 0. Detta möjliggör beräkning med en geometrisk kvantdator baserad på en universell en-kvantbitsgrind, som också härleds explicit.

Möjligheten till att introducera kvantmekanik från ett kvantinformationsperspektiv, för gymnasieelever utan tidigare erfarenhet av kvantmekanik, undersöks i denna studie. Kvantmekaniska koncept såsom den statistiska tolkningen av en vågfunktion, kollapsen av en vågfunktion vid en mätning, operatorer, sammanflätning och interferens introduceras med hjälp av kvantdatorkoncepten: kvantbitar, kvantgrindar, kvantparallellism och Deutschalgoritmen. En Workshop upplagda efter den elevaktiva metoden Peer Instruction hölls på fyra skolor i Uppsala för totalt 77 elever. Peer Instruction går ut på att lektionen delas in i segment som täcker ett koncept åt gången. Varje segment består av en kort genomgång följt av en konceptuell fråga som först besvaras enskilt, sen får deltagarna diskutera frågan och till sist besvaras samma fråga igen. Vilka typer av konceptuella frågor som kan skapa intressanta diskussioner kring kvantmekaniska koncept med hjälp av kvantdatorer undersöks. Hur olika nivåer av förkunskap om- och intresse för fysik, kvantfysik, kvantdatorer och programmering påverkar diskussionerna samt hur elevernas intresse för ämnet och synen på dess svårighetsgrad utvecklas med workshopen undersöks också. Workshopen var över lag uppskattad av eleverna - utifrån kommentarerna på frågorna som ställdes efteråt. Andelen korrekta svar på frågorna efter diskussionerna var höga och workshopen ökade intresset för fysik, kvantfysik och framförallt kvantdatorer samtidigt som synen på svårigheten av desamma minskade.
The possibility to introduce quantum mechanics, to Swedish pre-university and pre-quantum mechanical students, from a quantum information perspective is examined in this study. Quantum mechanical concepts such as the statistical interpretation of a wave function, the collapse of a wave function when a measurement takes place, operators, entanglements and interference are introduced using the quantum computer concepts: qubuits, qubit gates, quantum parallelism and the Deutsch’s algorithm. A workshop organized according to Peer Instruction was held at 4 different schools in Uppsala, Sweden with a total of 77 participants. The lecture was divided into a number of short presentations each followed by a concept test, the concept test was first answered individually, followed by a disussion amongst the students and finally they answered the same question again. Different kinds of conceptual tests and how different levels of pre-knowledge and preinterest in physics, quantum mechanics, programming and quantum computers influenced the discussions were analysed. How the students attitude to the subject and how their view of how difficult it was changed, were also examined. The workshop was generally appreciated by the students - based on the comments in the questions that were asked after the workshop. The proportion of correct answers to the questions after the discussions was high. The workshop increased the interest in physics, quantum mechanincs and especially quantum computers, while reducing the view of the difficulty of the same.

Utvecklandet av kvantdatorn är ett ytterst lovande projekt som kombinerar teoretisk och experimental kvantfysik, matematik, teori om kvantinformation och datalogi. Under första steget i utvecklandet av kvantdatorn låg huvudintresset på att skapa några algoritmer med framtida tillämpningar, klargöra grundläggande frågor och utveckla en experimentell teknologi för en leksakskvantdator som verkar på några kvantbitar. Då dominerade förväntningarna om snabba framsteg bland kvantforskare. Men det verkar som om dessa stora förväntningar inte har besannats helt. Många grundläggande och tekniska problem som dekoherens hos kvantbitarna och instabilitet i kvantstrukturen skapar redan vid ett litet antal register tvivel om en snabb utveckling av kvantdatorer som verkligen fungerar. Trots detta kan man inte förneka att stora framsteg gjorts inom kvantteknologin. Det råder givetvis ett stort gap mellan skapandet av en leksakskvantdator med 10-15 kvantregister och att t.ex. tillgodose de tekniska förutsättningarna för det projekt på 100 kvantregister som aviserades för några år sen i USA. Det är också uppenbart att svårigheterna ökar ickelinjärt med ökningen av antalet register. Därför är simulering av kvantdatorer i klassiska datorer en viktig del av kvantdatorprojektet. Självklart kan man inte förvänta sig att en kvantalgoritm skall lösa ett NP-problem i polynomisk tid i en klassisk dator. Detta är heller inte syftet med klassisk simulering. Den klassiska simuleringen av kvantdatorer kommer att täcka en del av gapet mellan den teoretiskt matematiska formuleringen av kvantmekaniken och ett förverkligande av en kvantdator. Ett av de viktigaste problemen i vetenskapen om kvantdatorn är att utveckla ett nytt symboliskt språk för kvantdatorerna och att anpassa redan existerande symboliska språk för klassiska datorer till kvantalgoritmer. Denna avhandling ägnas åt en anpassning av det symboliska språket Mathematica till kända kvantalgoritmer och motsvarande simulering i klassiska datorer. Konkret kommer vi att representera Simons algoritm, Deutsch-Joszas algoritm, Grovers algoritm, Shors algoritm och kvantfelrättande koder i det symboliska språket Mathematica. Vi använder samma stomme i alla dessa algoritmer. Denna stomme representerar de karaktäristiska egenskaperna i det symboliska språkets framställning av kvantdatorn och det är enkelt att inkludera denna stomme i framtida algoritmer.

Quantum computing is an extremely promising project combining theoretical and experimental quantum physics, mathematics, quantum information theory and computer science. At the first stage of development of quantum computing the main attention was paid to creating a few algorithms which might have applications in the future, clarifying fundamental questions and developing experimental technologies for toy quantum computers operating with a few quantum bits. At that time expectations of quick progress in the quantum computing project dominated in the quantum community. However, it seems that such high expectations were not totally justified. Numerous fundamental and technological problems such as the decoherence of quantum bits and the instability of quantum structures even with a small number of registers led to doubts about a quick development of really working quantum computers. Although it can not be denied that great progress had been made in quantum technologies, it is clear that there is still a huge gap between the creation of toy quantum computers with 10-15 quantum registers and, e.g., satisfying the technical conditions of the project of 100 quantum registers announced a few years ago in the USA. It is also evident that difficulties increase nonlinearly with an increasing number of registers. Therefore the simulation of quantum computations on classical computers became an important part of the quantum computing project. Of course, it can not be expected that quantum algorithms would help to solve NP problems for polynomial time on classical computers. However, this is not at all the aim of classical simulation. Classical simulation of quantum computations will cover part of the gap between the theoretical mathematical formulation of quantum mechanics and the realization of quantum computers. One of the most important problems in "quantum computer science" is the development of new symbolic languages for quantum computing and the adaptation of existing symbolic languages for classical computing to quantum algorithms. The present thesis is devoted to the adaptation of the Mathematica symbolic language to known quantum algorithms and corresponding simulation on the classical computer. Concretely we shall represent in the Mathematica symbolic language Simon's algorithm, the Deutsch-Josza algorithm, Grover's algorithm, Shor's algorithm and quantum error-correcting codes. We shall see that the same framework can be used for all these algorithms. This framework will contain the characteristic property of the symbolic language representation of quantum computing and it will be a straightforward matter to include this framework in future algorithms.

In recent years, quantum computers have achieved new levels of sophistication and are by some estimates only a few years from being used in production. A growing body of literature points toward their potential uses within various industries, with the finance industry identified as exceptionally full of prospective applications. One application that has seen recent experimental success is Quantum Portfolio Optimization (QPO), where researchers have successfully mapped the optimization task onto existing quantum hardware. As classical Portfolio Optimization (PO) algorithms often have high computational costs, achieving a quantum speed-up could bring major benefits for various stakeholders. One industry that makes use of PO is fund management. Considering the diversity that exists between funds, with regard to strategy and methods, it is likely that sociological factors play a part in selecting which technical solutions are employed. The interplay between sociological and technical factors will be central to this study, as it investigates the conditions for QPO within the Swedish fund management through a socio-technical perspective. First, semi-structured qualitative interviews are conducted with industry actors and quantum computer stakeholders. This is followed by a two-step thematic analysis, structured on the socio-technical dimensions of Geels’ Multi-Level Perspective (MLP). After coding statements, four key themes are created to describe characteristics of the industry. Second, these themes are analyzed together with the niche of QPO through the lens of System Innovations theories, to evaluate the readiness of QPO and its potential socio-technical effects on the industry. The key findings characterizing the fund management industry are summarized through four themes. In particular, the trade-off between quantitative and qualitative methods, the inadequacy of historical data, the importance of third-party suppliers, and the poorly functioning and rigid competitive landscape are key characteristics. The current state of QPO is not considered to have reached a commercially viable price-to-performance ratio but has built a strong support that will help it improve over time. Furthermore, the results point toward QPO being introduced in a limited fashion, but may over time cause significant disruption, as it contributes to reshaping the socio-technical architecture of the industry.
Under de senaste åren har kvantdatorer uppnått nya nivåer av sofistikation och är enligt vissa uppskattningar bara några år från att användas i produktion. Alltmer litteratur pekar ut potentiella användningsområden inom olika branscher och finansbranschen har identifierats som ett område med särskilt stor potential. En applikation som nyligen sett experimentell framgång är 'Quantum Portfolio Optimization' (QPO), där forskare framgångsrikt har översatt och beräknat optimeringsuppgiften på existerande kvantdatorer. Eftersom klassiska portföljoptimeringsalgoritmer ofta är krävande i datorkraft så kan kvantdatorers snabbhet potentiellt ge stora fördelar för olika intressenter. En bransch som använder portföljoptimering är fondförvaltning. Med tanke på den mångfald som finns bland fonder, med avseende på strategi och metoder, är det troligt att sociologiska faktorer spelar en roll i valet av vilka tekniska lösningar som används. Samspelet mellan sociologiska och tekniska faktorer kommer att vara centralt i denna studie, då den ämnar undersöka villkoren förutsättningarna för QPO inom svenska fondindustrin genom ett sociotekniskt perspektiv. Först genomförs halvstrukturerade kvalitativa intervjuer med branschaktörer och kvantdatoraktörer. Detta följs av en tematisk analys i två steg, strukturerad efter de sociotekniska dimensionerna i Geels 'Multi-Level Perspective' (MLP). Baserat på kodning av uttalanden så skapas fyra nyckelteman för att beskriva branschens egenskaper. Sedan analyseras dessa teman tillsammans med nischen, QPO, utifrån perspektiv från systeminnovationsteorier för att utvärdera QPO:s beredskap och dess potentiella sociotekniska effekter på branschen. De viktigaste resultaten som kännetecknar fondindustrin sammanfattas genom fyra teman. I synnerhet är avvägningen mellan kvantitativa och kvalitativa metoder, bristfälligheten i historiska data, betydelsen av tredjepartsleverantörer och det dåligt fungerande och styva konkurrenslandskapet viktiga egenskaper. Det nuvarande läget för QPO anses inte ha nått en kommersiellt lönsam nivå sett till förhållandet mellan pris och prestanda, men nischen har byggt ett starkt stödnätverk som kommer hjälpa den att förbättras över tid. Dessutom pekar resultaten mot att nischteknologin QPO kommer att introduceras i begränsad utsträckning, men kan med tiden ändå komma att orsaka betydande störningar eftersom den bidrar till att omforma branschens socio-tekniska arkitektur.