Контрфактуальное квантовое вычисление — это метод вывода результата вычисления без фактического запуска квантового компьютера, который в противном случае мог бы активно выполнять это вычисление.
Физики Грэм Митчисон и Ричард Йожа ввели понятие контрфактуальных вычислений [1] как применение квантовых вычислений, основанное на концепциях контрфактуальной определенности , на переосмыслении мысленного эксперимента Элицура-Вайдмана с испытанием бомбы и на теоретическом использовании явления измерения без взаимодействия .
Посмотрев доклад Йожи о контрфактуальных вычислениях в Институте Исаака Ньютона , Кейт Боуден из исследовательского отдела теоретической физики в колледже Биркбек Лондонского университета опубликовал в 1997 году статью [2], в которой описывался цифровой компьютер, который можно было бы контрфактуально опросить, чтобы вычислить, сможет ли луч света пройти через лабиринт [3], в качестве примера этой идеи.
Совсем недавно была предложена и продемонстрирована идея контрфактуальной квантовой коммуникации. [4]
Квантовый компьютер может быть физически реализован произвольными способами [5] , но на сегодняшний день общепринятый аппарат, рассматриваемый как интерферометр Маха-Цендера , устанавливается в суперпозицию состояний «не запущен» и «запущен» с помощью таких средств, как квантовый эффект Зенона . Эти истории состояний квантово интерферируются . После множества повторений очень быстрых проективных измерений состояние «не запущен» эволюционирует к конечному значению, запечатленному в свойствах квантового компьютера. Измерение этого значения позволяет узнать результат некоторых типов вычислений [6], таких как алгоритм Гровера, даже если результат был получен из состояния «не запущен» квантового компьютера.
Первоначальная формулировка [1] контрфактуального квантового вычисления гласила, что набор m результатов измерений является контрфактуальным результатом, если с m связана только одна история , и эта история содержит только «выключенные» (неработающие) состояния, и с m связан только один возможный вычислительный результат .
Уточненное определение [7] контрфактуального вычисления, выраженное в процедурах и условиях, выглядит следующим образом: (i) Определить и пометить все истории (квантовые пути) с помощью необходимого количества меток, которые приводят к одному и тому же набору m результатов измерений, и (ii) последовательно наложить все возможные истории. (iii) После отмены членов (если таковые имеются), комплексные амплитуды которых вместе дают ноль, набор m результатов измерений является контрфактуальным результатом, если (iv) не осталось членов с меткой, запущенной компьютером, в их метках истории, и (v) есть только один возможный выход компьютера, связанный с m .
В 1997 году, после обсуждений с Абнером Шимони и Ричардом Йозсой, и вдохновленный идеей (1993) испытателя бомбы Элицура-Вайдмана, Кейт Боуден (Birkbeck College) опубликовал статью [2], описывающую цифровой компьютер, который можно было бы контрфактуально опросить, чтобы вычислить, не пройдет ли фотон через лабиринт зеркал. [3] Эта так называемая зеркальная решетка заменяет пробную бомбу в устройстве Элицура и Вайдмана (на самом деле интерферометр Маха-Цендера). Один раз из четырех фотон выйдет из устройства таким образом, что это укажет на то, что лабиринт непроходим, даже если фотон никогда не проходил через зеркальную решетку. Сама зеркальная решетка настроена таким образом, что она определяется матрицей n на n бит. Выход (неудача или иное) сам по себе определяется одним битом. Таким образом, зеркальная решетка сама по себе является цифровым компьютером с n- квадратным входом и 1-битным выходом, который вычисляет лабиринты и может быть запущен контрфактуально. Хотя в целом устройство, очевидно, является квантовым компьютером, часть, которая контрфактуально тестируется, является полуклассической.
В 2015 году контрфактуальное квантовое вычисление было продемонстрировано в экспериментальном контексте «спинов отрицательно заряженного азотно-вакансионного цветового центра в алмазе». [8] Ранее предполагаемые пределы эффективности были превышены, и контрфактуальная вычислительная эффективность достигла 85% при более высокой эффективности, предусмотренной в принципе. [9]