叠加意味着每个量子都可以同时代表“ 1”和“ 0”。纠缠意味着叠加态处于叠加状态的速度可以彼此相关。也就是说,一个量子的状态(无论是1还是0)可以取决于另一个量子的状态。这意味着颗粒保持连接,以便在一个距离上执行的动作会影响另一个粒子,即使在大距离隔开时。如此激怒的阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的现象称其为“远处的怪异动作”。使用这两个原则,Qubits可以充当更复杂的开关,从而使量子计算机能够以允许他们解决使用当今计算机难以管理的困难问题的方式运行。根据研究,量子处理器花了200秒来执行一项计算,该计算本来可以通过世界上最快的超级计算机“ summit”来完成的。
背景和问题陈述。在量子计算机中,量子比特是基本单位,类似于经典比特。量子比特状态 ( | Ψ ⟩ ) 可以表示为两个基态的叠加:| 0 ⟩ 和 | 1 ⟩ 。更正式地说,| Ψ ⟩ = a | 0 ⟩ + b | 1 ⟩ ,其中 a 和 b 是复数,满足 ∥ a ∥ 2 + ∥ b ∥ 2 = 1。由于量子比特的量子物理行为,在测量时,这种叠加会崩溃,并且量子比特要么处于状态 | 0 ⟩(概率为 ∥ a ∥ 2 ),要么处于状态 | 1 ⟩(概率为 ∥ b ∥ 2 )。可以在计算机上对一组量子比特依次执行多个操作来运行量子算法。在完成量子算法的执行后,测量所有量子比特的量子比特状态并分析输出。量子比特操作称为量子操作,有三种类型:1 量子比特门、2 量子比特门和读出。1 量子比特门对单个量子比特进行操作并改变量子比特的叠加状态。2 量子比特门
摘要。长期以来,人们一直认为对称密码学仅受量子攻击的轻微影响,将密钥长度加倍就足以恢复安全性。然而,最近的研究表明,当对手可以使用量子叠加消息查询 MAC/加密预言机时,Simon 的量子周期查找算法会破坏大量 MAC 和认证加密算法。特别是,OCB 认证加密模式在这种情况下会被破坏,并且没有已知的量子安全模式具有相同的效率(速率一和可并行化)。在本文中,我们概括了以前的攻击,表明一大类 OCB 类方案对叠加查询不安全,并讨论了认证加密模式的量子安全概念。我们提出了一种受 TAE 和 OCB 启发的新的速率一可并行化模式 QCB,并证明了其对量子叠加查询的安全性。
自从量子参考系 (QRF) 变换首次出现以来,它就得到了广泛的讨论,将物理定律的协方差推广到量子领域。尽管取得了重大进展,但仍然缺乏洛伦兹对称性的 QRF 变换公式。本研究旨在填补这一空白。我们首先引入一种独立于任何优选时间切片概念的相对论量子力学的重新表述。在此基础上,我们定义了在不同相对论 QRF 视角之间切换的变换。我们引入了“量子洛伦兹变换”和“洛伦兹增强叠加”的概念,作用于量子粒子的外部自由度。我们分析了两种效应,即时间膨胀的叠加和长度收缩的叠加,只有当参考系同时表现出相对论和量子力学特征时才会出现这两种效应。最后,我们讨论了如何通过测量相对论 QRF 的波包扩展来观察这些效应。
粒子物理学有着宏伟的目标,即揭示现实的最基本成分,并破译这些成分相互作用的规则。这些规则包括量子力学,而基本成分似乎是量子实体。例如,在标准模型中,我们讨论相对论量子场的激发,这些场以固定的量子数(如质量、自旋和各种电荷)为特征。此外,在粒子物理实验中,我们有能力产生某些量子数的量子叠加态。例如,费米实验室各种光束中由介子衰变产生的(μ 子)中微子处于(至少)三个不同中微子质量本征态的量子叠加态中,并且该叠加态会随着通常的量子幺正时间演化而变化,由算符 exp (− 𝑖𝐻𝑡 ) 表示,其中 𝐻 是中微子哈密顿量。因此,中微子振荡实验是研究宏观尺度上量子信息时间演化的一个例子。
粒子物理学有着宏伟的目标,即揭示现实的最基本成分,并破译这些成分相互作用的规则。这些规则包括量子力学,而基本成分似乎是量子实体。例如,在标准模型中,我们讨论相对论量子场的激发,这些量子场以固定的量子数(如质量、自旋和各种电荷)为特征。此外,在粒子物理实验中,我们有能力产生某些量子数的量子叠加态。例如,费米实验室各种光束中由介子衰变产生的(μ 子)中微子处于(至少)三个不同中微子质量本征态的量子叠加态中,并且该叠加态会随着通常的量子幺正时间演化而变化,由算符 exp (− 𝑖𝐻𝑡 ) 表示,其中 𝐻 是中微子哈密顿量。因此,中微子振荡实验是研究宏观尺度上量子信息时间演化的一个例子。
因式分解、搜索和模拟等任务的量子算法依赖于控制流,例如分支和迭代,这些控制流取决于叠加数据的值。控制流的高级编程抽象,例如开关、循环、高阶函数和延续,在经典语言中无处不在。相比之下,许多量子语言不提供叠加控制流的高级抽象,而是需要使用硬件级逻辑门来实现这种控制流。造成这种差距的原因是,虽然经典计算机使用可以依赖于数据的程序计数器来支持控制流抽象,但量子计算机的典型架构并不类似地提供可以依赖于叠加数据的程序计数器。因此,可以在量子计算机上正确实现的完整控制流抽象集尚未建立。在这项工作中,我们对可以在量子计算机上正确实现的控制流抽象的属性进行了完整的描述。首先,我们证明,即使在程序计数器处于叠加态的量子计算机上,也无法通过将经典条件跳转指令提升到叠加态来正确实现量子算法中的控制流。该定理否定了将控制流的一般抽象(例如 𝜆 演算)直接从经典编程提升到量子编程的能力。作为回应,我们提出了在量子计算机上正确实现控制流的必要和充分条件。我们引入了量子控制机,这是一种指令集架构,其条件跳转被限制为满足这些条件。我们展示了这种设计如何使开发人员能够使用程序计数器代替逻辑门来正确表达量子算法中的控制流。
读出量子位,如图 1a 所示。图 1b-d 表示量子计算机从传统方法演变为可扩展架构。量子位是量子计算机中的基本计算块,由于其叠加和纠缠特性,可实现指数级更快的计算。量子位是一个两级系统,可以处于量子态 j ψ i ,可以表示为其两个计算基态 j 0 i 和 j 1 i 的叠加。这两个状态占据不同的层次,与经典数字逻辑零和一完全类似。量子位的状态有一个独特的注释,即布洛赫球面单位球表面上的一个点。如图 1e 所示,布洛赫球的北极和南极分别代表 j 0 i 和 j 1 i 状态,而布洛赫球表面的所有其他点则对应于不同的叠加态 j ψ i = α j 0 i + β j 1 i 。量子叠加态的振幅与平均占空比信号的经典模拟之间可以进行类比。两个电压电平 VDD 和 GND 在进行占空比和平均后,提供 VDD 和 GND 之间的所有电平,S avg = α VDD + β GND,如图 1f 所示。此外,在读出量子态时,输出要么处于 j 0 i 状态,要么处于 j 1 i 状态。同样,在读出经典模拟中的占空比平均信号时,输出要么为 VDD 要么为 GND。