Quantum cellulär automat
En kvantcellulär automat ( QCA ) är en abstrakt modell av kvantberäkning , framtagen i analogi med konventionella modeller av cellulära automater introducerade av John von Neumann . Samma namn kan också hänvisa till quantum dot cellular automata , som är en föreslagen fysisk implementering av "klassiska" cellulära automater genom att utnyttja kvantmekaniska fenomen. QCA har väckt stor uppmärksamhet som ett resultat av dess extremt lilla funktionsstorlek (i molekylär eller till och med atomär skala) och dess ultralåga strömförbrukning, vilket gör den till en kandidat för att ersätta CMOS- teknik .
Användning av termen
I samband med beräkningsmodeller eller fysiska system hänvisar kvantcellulär automat till sammanslagning av delar av både (1) studiet av cellulära automater inom konventionell datavetenskap och (2) studiet av kvantinformationsbehandling . I synnerhet är följande egenskaper hos modeller av kvantcellulära automater:
- Beräkningen anses komma till stånd genom parallell drift av flera beräkningsenheter, eller celler . Cellerna anses vanligtvis vara identiska, finitdimensionella kvantsystem (t.ex. varje cell är en qubit ).
- Varje cell har ett område med andra celler. Sammantaget bildar dessa ett nätverk av celler, som vanligtvis anses vara regelbundet (t.ex. är cellerna arrangerade som ett gitter med eller utan periodiska randvillkor).
- Utvecklingen av alla celler har ett antal fysikliknande symmetrier. Lokalitet är ett: nästa tillstånd för en cell beror bara på dess nuvarande tillstånd och dess grannar. Homogenitet är en annan: evolutionen fungerar likadant överallt och är oberoende av tid.
- Tillståndsutrymmet för cellerna, och de operationer som utförs på dem, bör motiveras av kvantmekanikens principer.
En annan funktion som ofta anses viktig för en modell av kvantcellulära automater är att den ska vara universell för kvantberäkning (dvs. att den effektivt kan simulera kvantturingmaskiner , någon godtycklig kvantkrets eller helt enkelt alla andra kvantcellulära automater).
Modeller som nyligen har föreslagits ställer ytterligare villkor, t.ex. att kvantcellulära automater ska vara reversibla och/eller lokalt enhetliga, och ha en lättbestämd global övergångsfunktion från regeln för uppdatering av enskilda celler. Nya resultat visar att dessa egenskaper kan härledas axiomatiskt från symmetrierna i den globala evolutionen.
Modeller
Tidiga förslag
1982 föreslog Richard Feynman ett första tillvägagångssätt för att kvantisera en modell av cellulära automater. 1985 David Deutsch en formell utveckling av ämnet. Senare introducerade Gerhard Grössing och Anton Zeilinger termen "kvantcellulära automater" för att hänvisa till en modell som de definierade 1988, även om deras modell hade mycket lite gemensamt med de koncept som utvecklats av Deutsch och därför inte har utvecklats nämnvärt som en modell av beräkning.
Modeller för universell kvantberäkning
Den första formella modellen av kvantcellulära automater som skulle forskas på djupet var den som introducerades av John Watrous . Denna modell utvecklades vidare av Wim van Dam, samt Christoph Dürr, Huong LêThanh och Miklos Santha, Jozef Gruska. och Pablo Arrighi. Men det insågs senare att denna definition var för lös, i den meningen att vissa instanser av den tillåter superluminal signalering. En andra våg av modeller inkluderar de av Susanne Richter och Reinhard Werner, av Benjamin Schumacher och Reinhard Werner, av Carlos Pérez-Delgado och Donny Cheung, och av Pablo Arrighi, Vincent Nesme och Reinhard Werner. Dessa är alla nära besläktade och lider inte av någon sådan lokalitetsfråga. I slutändan kan man säga att de alla är överens om att föreställa kvantcellulära automater som bara en stor kvantkrets, som upprepas oändligt över tid och rum. De senaste recensionerna av ämnet finns här.
Modeller av fysiska system
Modeller av kvantcellulära automater har föreslagits av David Meyer, Bruce Boghosian och Washington Taylor, och Peter Love och Bruce Boghosian som ett sätt att simulera kvantgittergaser, motiverat av användningen av "klassiska" cellulära automater för att modellera klassiska fysiska fenomen som t.ex. gasdispersion. Kriterier som avgör när en kvantcellulär automat (QCA) kan beskrivas som kvantgittergasautomat (QLGA) gavs av Asif Shakeel och Peter Love.
Quantum dot cellulära automater
Ett förslag för att implementera klassiska cellulära automater av system designade med kvantprickar har föreslagits under namnet "quantum cellular automata" av Doug Tougaw och Craig Lent, som en ersättning för klassisk beräkning med CMOS-teknik. För att bättre kunna skilja mellan detta förslag och modeller av cellulära automater som utför kvantberäkningar, hänvisar många författare som arbetar med detta ämne nu till detta som en kvantpunktscellautomat .
Se även
- Quantum finite automata – Kvantanalog av probabilistiska automater
- Quantum Hall-effekt – Elektromagnetisk effekt i fysik
