我们考虑如何预测量子计算领域的进展。为此,我们收集了迄今为止的量子计算机系统数据集,根据其物理量子比特和门错误率进行评分,并定义了一个结合这两个指标的指标,即广义逻辑量子比特。我们研究了物理量子比特和门错误率之间的关系,并初步得出结论,它们是正相关的(尽管有一些疑问),表明发展前沿在它们之间进行权衡。我们还对指标应用了对数线性回归,以提供可以预期的进展的初步上限。在我们模型的(总体上乐观的)假设范围内,包括量子比特数和门保真度将继续呈指数级增长这一关键假设,我们估计基于超导技术的概念验证容错计算不太可能(置信度 < 5%)在 2026 年之前出现,能够分解 RSA-2048 的量子设备不太可能(置信度 < 5%)在 2039 年之前出现。当然,这些里程碑实际上可能会更早实现,但这需要比迄今为止更快的进展。
摘要 实际量子计算面临的一个主要挑战是量子系统与环境相互作用所导致的无法避免的错误。容错方案中,逻辑量子位由几个物理量子位编码,能够在出现错误的情况下输出更高概率的正确逻辑量子位。然而,对量子位和算子编码的严格要求使得实现完全容错计算即使对于可实现的嘈杂中型量子技术来说也是一项挑战。特别是容错计算的阈值仍然缺乏实验验证。在这里,我们基于全光学装置,通过实验证明了容错协议阈值的存在。四个物理量子位表示为两个纠缠光子的空间模式,用于编码两个逻辑量子位。实验结果清楚地表明,当错误率低于阈值时,由容错门组成的电路中正确输出的概率高于相应的非编码电路。相反,当错误率高于阈值时,容错实现没有优势。开发的高精度光学系统可以为研究具有容错门的更复杂电路中的错误传播提供可靠的平台。
学分 先决条件/共同条件 ECSE 307 线性系统与控制 4 P - ECSE 206、ECSE 210 ECSE 335 微电子学 4 P - ECSE 331 ECSE 403 控制 4 P - ECSE 307 ECSE 408 通信系统 4 P - ECSE 205、ECSE 308 ECSE 412 离散时间信号处理 3 P - ECSE 206 ECSE 415 计算机视觉简介 3 P - ECSE 205、(ECSE 206 或 ECSE 316) ECSE 416 电信。网络 4 P - (ECSE 250 或 COMP 250)和 ECSE 205 和(ECSE 308 或 ECSE 316)ECSE 420 并行计算 3 P - ECSE 427 ECSE 422 容错计算 3 P - ECSE 324 和(ECSE 250 或 COMP 250)ECSE 428 软件工程实践 3 P - (ECSE 321 或 COMP 335)ECSE 435 混合信号测试技术 3 P - ECSE 206,ECSE 335 ECSE 439 软件语言工程 3 P - (ECSE 321 或 COMP 303)ECSE 508 多智能体系统 3 P - ECSE 205 或同等学历 ECSE 510 随机系统的过滤和预测 3 P - ECSE 500,ECSE 509 或同等学历ECSE 544 计算摄影 4 P - ECSE 205,ECSE 206
需要容错设计来确保执行飞行关键功能的数字航空电子系统安全运行。本章讨论了容错设计的动机,以及为实现容错系统而发展起来的许多不同设计实践。设计人员需要确保完全定义容错要求,以便从可用的替代方案中选择要实现的设计概念。容错系统的要求包括性能、可靠性以及确保设计在实施时满足所有要求的方法。这些要求必须记录在系统预期行为的规范中,指定对系统各种输出施加的容差 [Anderson and Lee,1981]。设计的开发与保证方法的开发同时进行,以验证设计是否满足所有要求,包括容错。本章最后引用了这一发展领域的进一步阅读材料。容错系统在出现故障的情况下提供持续、安全的运行。容错航空电子系统是飞行关键架构的一个关键要素,其中包括容错计算系统(硬件、软件和定时)、传感器及其接口、执行器、元件以及分布式元件之间的数据通信。容错航空电子系统确保完整性
学分 先决条件/共同条件 ECSE 307 线性系统与控制 4 P - ECSE 206、ECSE 210 ECSE 335 微电子学 4 P - ECSE 331 ECSE 403 控制 4 P - ECSE 307 ECSE 408 通信系统 4 P - ECSE 205、ECSE 308 ECSE 412 离散时间信号处理 3 P - ECSE 206 ECSE 415 计算机视觉简介 3 P - ECSE 205、(ECSE 206 或 ECSE 316) ECSE 416 电信。网络 4 P - (ECSE 250 或 COMP 250)和 ECSE 205 和(ECSE 308 或 ECSE 316)ECSE 420 并行计算 3 P - ECSE 427 ECSE 422 容错计算 3 P - ECSE 324 和(ECSE 250 或 COMP 250)ECSE 428 软件工程实践 3 P - (ECSE 321 或 COMP 335)ECSE 435 混合信号测试技术 3 P - ECSE 206,ECSE 335 ECSE 439 软件语言工程 3 P - (ECSE 321 或 COMP 303)ECSE 508 多智能体系统 3 P - ECSE 205 或同等学历 ECSE 510 随机系统的过滤和预测 3 P - ECSE 500,ECSE 509 或同等学历ECSE 544 计算摄影 4 P - ECSE 205,ECSE 206
超导量子电路是实现大规模量子计算机的有前途的平台。尽管固态量子比特存在各种退相干问题,但过去二十年来,材料和设计方面的不断努力已经提高了超导量子比特的性能。最先进的超导量子比特的相干时间即使在多量子比特设备中也已达到 100 毫秒以上 [1]。双量子比特门的保真度现已超过 99% [2],而多量子比特的集成已引起越来越多的关注,以实现更高的计算功能。超导设备中的量子比特数量一直在迅速增加,一些研究小组已经运行了 10-100 量子比特的处理器 [3]–[7]。多量子比特处理器的最新重大成就之一是谷歌展示的所谓量子计算霸权 [3]。他们的研究结果显示了量子计算机在特定计算任务上优于传统超级计算机的优势。然而,这并没有直接导致量子计算机加速任何实际计算。我们仍处于构建具有错误恢复能力的量子计算机的早期阶段,用于运行诸如因式分解 [8] 和数据库搜索 [9] 等基本算法。量子纠错使量子计算机中的这种容错计算成为可能 [10]。固态设备量子纠错码最有希望的候选者是表面码 [11],[12]。它只需要二维量子比特阵列中的最近邻相互作用,同时具有相对较高的错误阈值 ∼ 0.1% [13]。实现量子计算机的下一个里程碑可能是展示
为了实现容错量子计算,我们需要在初始化量子设备后重复以下四个步骤。首先,我们执行 1 或 2 个量子比特量子门(如果可能的话,并行执行)。其次,我们对量子比特的子集进行综合征测量。第三,我们执行快速经典计算以确定发生了哪些错误(如果有)。第四,根据错误,我们应用校正步骤。然后,该过程对下一个门序列重复。这四个步骤对于实现容错量子计算至关重要。为了使这四个步骤成功,我们需要门的错误率低于某个阈值。不幸的是,当前量子硬件的错误率仍然太高,无法满足这一要求。另一方面,当前的量子硬件平台在设计时就考虑到了这四个步骤。在本研究中,我们利用这个四步方案,不是执行容错计算,而是增强执行 1 量子比特门和最近邻 2 量子比特门的短、恒定深度量子电路。为了探索这如何有用,我们研究了一个称为局部交替量子经典计算 (LAQCC) 的计算模型。在这个模型中,量子比特被放置在一个网格中,它们只能与它们的直接邻居交互;量子电路具有恒定深度和中间测量值;经典控制器可以对这些中间测量结果执行对数深度计算,并根据结果控制未来的量子操作。该模型自然地适合 NISQ 时代的量子算法和成熟的容错量子计算。我们展示了 LAQCC 电路如何创建恒定深度量子电路无法实现的长距离交互,并使用它来构建一系列有用的多量子比特操作。利用这些门,我们创建了三种新的状态准备协议,用于任意数量的状态、W 状态和 Dicke 状态的均匀叠加,这是 W 状态的泛化。此外,我们表明这种类型的模型包含不太可能被经典模拟的电路,并通过展示 QNC 1 的包含来限制该模型的功率
ECSE 307 Linear Systems & Control (4 cr, P - ECSE 206, ECSE 210) ECSE 335 Microelectronics (4 cr, P - ECSE 331) ECSE 343 Numerical Methods in Engineering (3 cr, P- ECSE 205, COMP 250, MATH 263) ECSE 403 Control (4 cr, P - ECSE 307) ECSE 408 Communication Systems (4 cr, P - ECSE 205, ECSE 308)ECSE 412离散时间信号处理(3 CR,P -ECSE 206)ECSE 415简介。计算机视觉(3 CR,P -ECSE 205,ECSE 206或ECSE 316)ECSE 416 TELECOM。计算机视觉(3 CR,P -ECSE 205,ECSE 206或ECSE 316)ECSE 416 TELECOM。网络(4 CR,P -ECSE 205,ECSE 308或ECSE 316,COMP 250)ECSE 420并行计算(3 Cr,P -ECSE 427)ECSE 422容错计算(3 CR,P -ECSE 324,COMP 250,COMP 250,COMP 250)ECSE 428软件工程实践(3 Cr,P -ecse 335)ECSE 335) ECSE 321或COMP 303)ECSE 435混合信号测试技术(3 CR,P -ECSE 206,ECSE 335)ECSE 436信号处理硬件(3 Cr,P -ECSE 206,ECSE 324,ECSE 324,ECSE 325,ECSE 325)ECSE 437软件交付303)ECSE 446现实图像合成(3 CR,P -ECSE 202,ECSE 205,COMP 250)ECSE 450电磁兼容性(3 Cr,P -ECSE 222,ECSE 331,ECSE 331,ECSE 353或ECSE 353或ECSE 354或ECSE 354) 353) ECSE 501 Linear Systems (3 cr, C - ECSE 500 or permission from the instructor) ECSE 508 Multi-Agent Systems (3 cr, P - ECSE 205 or equivalents) ECSE 510 Filtering & Prediction for Stochastic Systems (3 cr, P - ECSE 500, ECSE 509 oe equivalents) ECSE 516 Nonlinear and Hybrid Control Systems (3 cr, P - ECSE 500 and ECSE 501 or等效物)ECSE 544计算摄影(4 CR,P -ECSE 205和ECSE 206)ECSE 551*工程师的机器学习(4 Cr -P -P -comp 250和ESCE 205或MATH 323; c- ESCE 443或ESCE 543或数学247)
COMP 549 受大脑启发的人工智能 3 P - MATH 222、MATH 223 和 MATH 323;或同等学历。 COMP 551*** 应用机器学习 4 P - MATH 323 或 ECSE 205 或同等课程 COMP 559 计算机动画基础 4 P - MATH 222、MATH 223、COMP 206、COMP 250 COMP 562 机器学习理论 4 P - MATH 462 或 COMP 451 或(COMP 551、MATH 222、MATH 223 和 MATH 324)或 ECSE 551。ECSE 310 计算热力学 3 P - ECSE 200、ECSE 205、ECSE 222 ECSE 325 数字系统 3 P - ECSE 324 ECSE 405 天线 3 P - ECSE 206、ECSE 354 ECSE 412 离散时间信号处理 3 P - ECSE 206 ECSE 415介绍。计算机视觉 3 P - ECSE 205,(ECSE 206 或 ECSE 316)ECSE 420 并行计算 3 P - ECSE 427 ECSE 421 嵌入式系统 3 P - ECSE 324 ECSE 422 容错计算 3 P - ECSE 324 和(ECSE 250 或 COMP 250)ECSE 423 光子学基础 3 P - ECSE 354 ECSE 424 人机交互 3 P - (ECSE 324 和 ECSE 250)或(ECSE 324 和 COMP 250)或(COMP 251 和 COMP 273)ECSE 425 计算机架构 3 P - ECSE 324 ECSE 427 操作系统 3 P - (ECSE 324 或 COMP 273)ECSE 430光子器件与系统 3 P - ECSE 354,MIME 262 ECSE 431 VLSI CAD 简介。 3 P - ECSE 324、ECSE 331 ECSE 435 混合信号测试技术 3 P - ECSE 206、ECSE 335 ECSE 436 信号处理硬件 3 P - ECSE 206、ECSE 324、ECSE 325 ECSE 446 真实图像合成 3 P - (ECSE 205 和 ECSE 250)或(ECSE 202 和 ECSE 205 和 COMP 250)ECSE 450 电磁兼容性 3 P - ECSE 222、ECSE 331、(ECSE 353 或 ECSE 354)ECSE 451 EM 传输和辐射 3 P - ECSE 354 ECSE 460 电气设备 3 P - ECSE 464 ECSE 463 * 电力发电 3 P - (ECSE 362 或ECSE 461) ECSE 464 电力系统分析 3 P - ECSE 362 ECSE 465** 电力电子系统 3 P - ECSE 331、ECSE 362 ECSE 466 配电系统 3 P - ECSE 362 ECSE 467 电力通信 3 P - ECSE 464 ECSE 468 电力工业 3 P - ECSE 362 ECSE 469 电力保护 3 P - ECSE 464 ECSE 472 电路仿真和建模基础 3 P - ECSE 206、ECSE 331 ECSE 500 系统数学基础 3 ECSE 501 线性系统 3 C - ECSE 500 或获得讲师许可 ECSE 507 优化与最优控制 3 P - (ECSE 343 或 ECSE 543 或 ECSE 501 或 COMP 540 或获得讲师许可)ECSE 508 多智能体系统 3 P - ECSE 205 或同等学历 ECSE 509 概率与随机信号 2 3 P - (ECSE 206 或 ECSE 316),ECSE 205 ECSE 510 随机系统的过滤与预测 3 P - ECSE 500,ECSE 509 或同等学历 ECSE 516 非线性和混合控制系统 3 P - ECSE 500,ECSE 501 或同等学历 ECSE 519 半导体纳米结构与纳米光子器件 3 P - ECSE 354,(ECSE 433 或 ECSE 533) ECSE 521 数字通信 1 3 P - ECSE 408;C- ECSE 509 ECSE 526 人工智能 3 P - ECSE 324 ECSE 532 计算机图形学 4 P - ECSE 324 ECSE 543 电气工程中的数值方法 3 P - ECSE 324、ECSE 331、ECSE 251 ECSE 544 计算摄影 4 P - ECSE 205 和(ECSE 206 或 ECSE 316)ECSE 551*** 工程师机器学习 4 P - (ECSE 250 或 COMP 250)和(ECSE 205 或 MATH 323); C- ECSE 343 或 ECSE 543 或 MATH 247 ECSE 552 深度学习 4 P - (ECSE 551 或 COMP 551) ECSE 554 应用机器人 4 P - ECSE 205、COMP 206、ECSE 250 和(ECSE 343 或 MATH 247)或同等学历。 ECSE 556 网络生物学中的机器学习 4 ECSE 557 自主智能系统伦理学简介 3 P - (ECSE 202 或 ECSE 250 或 COMP 250)和(ECSE 205 或 MATH 323)或经讲师许可; C - COMP 451 或 COMP 551 或 ECSE 551 或经讲师许可
COMP 370 数据科学概论 3 P - COMP 206, COMP 250 或 ECSE 250 COMP 549 脑启发人工智能 3 P - MATH 222, MATH 223, MATH 323 COMP 551*** 应用机器学习 4 P - MATH 323 或 ECSE 205 或同等学历 COMP 559 计算机动画基础 4 P - MATH 222, MATH 223, COMP 206, COMP 250 COMP 562 机器学习理论 4 P - MATH 462 或 COMP 451 或(COMP 551, MATH 222, MATH 223, MATH 324)或 ECSE 551 ECSE 310 计算热力学 3 P - ECSE 200, ECSE 205, ECSE 222 ECSE 325 数字系统 3 P - ECSE 324 ECSE 405 天线 3 P - ECSE 206, ECSE 354 ECSE 412 离散时间信号处理 3 P - ECSE 206 ECSE 415 简介。计算机视觉 3 P - ECSE 205,(ECSE 206 或 ECSE 316)ECSE 420 并行计算 3 P - ECSE 427 ECSE 421 嵌入式系统 3 P - ECSE 324 ECSE 422 容错计算 3 P - ECSE 324 和(ECSE 250 或 COMP 250)ECSE 423 光子学基础 3 P - ECSE 354 ECSE 424 人机交互 3 P - (ECSE 324 和 ECSE 250)或(ECSE 324 和 COMP 250)或(COMP 251 和 COMP 273)ECSE 425 计算机架构 3 P - ECSE 324 ECSE 427 操作系统 3 P - (ECSE 324 或 COMP 273)ECSE 430光子器件与系统 3 P - ECSE 354,MIME 262 ECSE 431 VLSI CAD 简介。 3 P - ECSE 324、ECSE 331 ECSE 435 混合信号测试技术 3 P - ECSE 206、ECSE 335 ECSE 436 信号处理硬件 3 P - ECSE 206、ECSE 324、ECSE 325 ECSE 446 真实图像合成 3 P - (ECSE 205 和 ECSE 250)或(ECSE 202 和 ECSE 205 和 COMP 250)ECSE 450 电磁兼容性 3 P - ECSE 222、ECSE 331、(ECSE 353 或 ECSE 354)ECSE 451 EM 传输和辐射 3 P - ECSE 354 ECSE 460 电气设备 3 P - ECSE 464 ECSE 463 * 电力发电 3 P - (ECSE 362 或ECSE 461) ECSE 464 电力系统分析 3 P - ECSE 362 ECSE 465** 电力电子系统 3 P - ECSE 331、ECSE 362 ECSE 466 配电系统 3 P - ECSE 362 ECSE 467 电力通信 3 P - ECSE 464 ECSE 468 电力工业 3 P - ECSE 362 ECSE 469 电力保护 3 P - ECSE 464 ECSE 472 电路仿真和建模基础知识 3 P - ECSE 206、ECSE 331; ECSE 597 不能参加 ECSE 500 系统数学基础 3 ECSE 501 线性系统 3 C - ECSE 500 或获得讲师许可 ECSE 507 优化与最优控制 3 P -(ECSE 343 或 ECSE 543 或 ECSE 501 或 COMP 540 或 MATH 247 或获得讲师许可) ECSE 508 多智能体系统 3 P - ECSE 205 或同等学历 ECSE 509 概率与随机信号 2 3 P -(ECSE 206 或 ECSE 316),ECSE 205 ECSE 510 随机系统的过滤与预测 3 P - ECSE 500、ECSE 509 或同等学历 ECSE 516 非线性和混合控制系统 3 P - ECSE 500、ECSE 501 或同等学历 ECSE 519 半导体纳米结构与纳米光子器件 3 P - ECSE 354,(ECSE 433 或 ECSE 533) ECSE 521 数字通信 1 3 P - ECSE 408 或 ECSE 511;C- ECSE 509 ECSE 526 人工智能 3 P - ECSE 324 ECSE 532 计算机图形学 4 P - ECSE 324 ECSE 534 模拟微电子学 3 P - ECSE 335 ECSE 543 电气工程中的数值方法 3 P - ECSE 324、ECSE 331、ECSE 251 ECSE 544 计算摄影 4 P - ECSE 205、ECSE 206 ECSE 551*** 工程师机器学习 4 P - (ECSE 250 或 COMP 250) 和 (ECSE 205 或 MATH 323); C- ECSE 343 或 ECSE 543 或 MATH 247 ECSE 552 深度学习 4 P - (ECSE 551 或 COMP 551) ECSE 554 应用机器人 4 P - ECSE 205、COMP 206、ECSE 250、(ECSE 343 或 MATH 247)或同等学历 ECSE 556 网络生物学中的机器学习 4 P - 讲师许可 ECSE 562* 低碳发电工程 4 P - (ECSE 362 或 ECSE 461) ECSE 563 电力系统运行与规划 3 P - ECSE 362 ECSE 565** 电力电子学概论 3 P - ECSE 335、ECSE 362 ECSE 575 异构集成系统 3 P - ECSE 335 或讲师许可 PHYS 346 专业 量子物理学 3 P - PHYS 230、PHYS 232 或 PHYS 251 PHYS 434 光学 3 C - PHYS 342 或 PHYS 352,或经导师许可