Хронологія квантових обчислень

Ця стаття — хронологія квантових обчислень.

1970-ті

1970

• Стівен Візнер винаходить спряжене кодування^[1].

1973

• Олександр Холево публікує роботу, де показує, що n кубітів можуть зберігати не більше, ніж n бітів класичної інформації (границя Холево)^[2].
• Чарльз Беннетт показує, що універсальні обчислення можна зробити логічно оборотними^[3].

1975

• У роботі Романа Поплавського показується, що внаслідок принципу суперпозиції неможливо моделювати квантові системи на класичному комп'ютері^[4].

1976

• Польський математик і фізик Роман Станіслав Інґарден публікує важливу роботу, яка є однією з перших спроб побудувати квантову теорію інформації^[5]. У цій роботі показано, що хоча теорію інформації Шеннона неможливо безпосередньо узагальнити на квантовий випадок, можна побудувати квантову теорію інформації на основі формалізму квантової механіки відкритих систем і узагальненої концепції спостережуваних (т.з. напівспостережувані, semi-observables). Така квантова теорія інформації буде узагальненням теорії Шеннона.

1980-ті

1980

• Юрій Манін вперше пропонує ідею квантових обчислень^[6].
• Томмазо Тоффолі^[en] пропонує оборотний елемент Тоффолі, який разом із елементами NOT і XOR утворює універсальний набір елементів для класичних обчислень^[7][8].

1981

• Річард Фейнман у своїй промові на Першій конференції з фізики обчислень, що відбулася в травні в МТІ, зазначає, що неможливо ефективно моделювати еволюцію квантової системи на класичному комп'ютері. Він пропонує просту модель квантового комп'ютера, який буде спроможний виконувати таке моделювання^[9][10].

1982

• Пол Беньов пропонує перший теоретичний опис структури квантового комп'ютера^[11].
• Вільям Вуттерс і Войцех Зурек^[12], а також незалежно від них Денніс Дікс^[13] доводять теорему про неможливість копіювання (no-cloning theorem).

1984

• Чарльз Беннетт і Жиль Брассар використовують ідею спряженого кодування Візнера для побудови квантового розподілу криптографічного ключа (протокол BB84)^[14].

1985

• Девід Дойч дає перший строгий опис квантової машини Тюрінга^[15]. Так само, як універсальна машина Тюрінга може ефективно моделювати будь-яку іншу машину Тюрінга, квантова машина Тюрінга може моделювати будь-який інший квантовий комп'ютер із не більш, ніж поліноміальним сповільненням.

1990-ті

1991

• Артур Екерт вперше використовує квантову сплутаність у механізмі квантового розподілу криптографічного ключа (протокол E91)^[16].

1993

• Деніел Саймон пропонує задачу, яку можна розв'язати на квантовому комп'ютері експоненційно швидше, ніж на класичному^[17]. Основні ідеї, які були впроваджені в цьому алгоритмі, пізніше розвинув Пітер Шор в своєму алгоритмі факторизації.

1994

• Пітер Шор винаходить важливий квантовий алгоритм, що швидко факторизує великі числа^[18]. Цей алгоритм одночасно розв'язав як задачу факторизації, так і задачу обчислення дискретного логарифма. Безпрецедентна важливість алгоритму Шора полягає в теоретичній можливості зламу багатьох сучасних криптографічних систем, зокрема RSA. Винаходження алгоритму Шора спричинило сплеск інтересу до квантових комп'ютерів у цілому.
• Національний інститут стандартів і технології організовує перший у США державний семінар із квантових обчислень у Ґейтерсберзі, штат Меріленд.
• Хуан Іґнасіо Сірак (університет Кастилія — Ла-Манча) і Петер Цоллер (Інсбрукський університет) пропонують практичну реалізацію квантового елемента CNOT на йонних пастках^[19].

1995

• В університеті Аризони відбувається перший семінар Міністерства оборони США з квантових обчислень і квантової криптографії, організований фізиками Чарльзом Боуденом, Джонатаном Даулінґом та Генрі Еверіттом.
• Пітер Шор і Роберт Калдербанк, а також незалежно від них Ендрю Стін пропонують перші схеми квантової корекції помилок^[20][21][22].
• Крістофер Монро та Девід Вайнленд на основі ідей Сірака й Цоллера експериментально реалізовують логічний елемент CNOT на йонних пастках^[23].

1996

• Лов Ґровер винаходить алгоритм швидкого пошуку в базі даних (задача перебору)^[24]. Хоча його квадратичне прискорення не настільки ефективне як для факторизації, обчислення дискретного логарифма або моделювання фізичних процесів, цей алгоритм можна використовувати для широкого спектра задач. Будь-яку задачу, яку треба було розв'язувати повним перебором, тепер можна розв'язати квадратично швидше.
• Уряд США, зокрема Відділ досліджень Армії США (Army Research Office) та Агентство національної безпеки, оголошує перше публічне запрошення для пропозицій досліджень в галузі квантової інформації.
• Девід Ді Вінченцо формулює набір мінімальних вимог до побудови квантового комп'ютера (критерії Дівінченцо)^[25].

1997

• Девід Корі, Амр Фахмі й Тімоті Гейвел, а також незалежно від них Нейл Ґершенфельд й Ісаак Чанг публікують перші роботи з реалізації логічних елементів квантового комп'ютера на об'ємному спіновому резонансі, або термічних ансамблях^[26][27]. Основою цієї технології є ядерний магнітний резонанс (ЯМР), що споріднює таку машину з апаратом магнітно-резонансної томографії (МРТ).
• Олексій Кітаєв пропонує принципи топологічних квантових обчислень як метод подолання декогеренції^[28].
• Деніел Лосс і Девід Ді Вінченцо пропонують модель квантового комп'ютера, де як кубіти використовуються спінові ступені вільності окремих електронів, що замкнені в квантових точках^[29].

1998

• Перша експериментальна реалізація квантового алгоритму. Розв'язок задачі Дойча на двокубітному квантовому ЯМР-комп'ютері продемонстрували Джонатан Джонс і Мішель Моска в Оксфордському університеті^[30], а пізніше — Ісаак Чанг зі співробітниками в Дослідницькому центрі IBM Альмаден, Стенфордському університеті та Массачусетському технологічному інституті^[31].

1999

• Вперше демонструються трикубітний квантовий комп'ютер і експериментальна реалізація на ньому алгоритму Ґровера^[32].
• Семюел Браунштейн із співробітниками показують відсутність сплутаності змішаних станів у будь-яких експериментах із об'ємним ЯМР. Наявність сплутаності чистих станів — необхідна умова для квантового прискорювання обчислень, тому це давало привід вважати ЯМР-комп'ютер у кращому випадку класичним симулятором квантового комп'ютера. Але доти питання про необхідність сплутаності змішаних станів для прискорювання обчислень залишалося відкритим^[33].

2000-ні

2000

• Група Штефана Ґлазера з Мюнхенського технічного університету демонструє робочий 5-кубітний ЯМР-комп'ютер^[34].
• В Дослідницькому центрі IBM Альмаден і Стенфордському університеті на 5-кубітному ЯМР-комп'ютері вперше реалізується пошук порядку (частина алгоритму Шора)^[35].
• Співробітниками Лос-Аламоської національної лабораторії й Массачусетського технологічного інституту побудований 7-кубітний ЯМР-комп'ютер^[36].

2001

• У Дослідницькому центрі IBM Альмаден і Стенфордському університеті вперше реалізується алгоритм Шора^[37]. Вдалося факторизувати число 15 (розкладено на множники 5 • 3) за допомогою 10¹⁸ однакових молекул, кожна з яких містила сім активних ядерних спінів.
• Ной Лінден і Санду Попеску показують, що для роботи великої частини квантових протоколів необхідна квантова сплутаність^[38]. Цей результат (разом із роботою Браунштейна 1999 року^[33]) поставив під сумнів обґрунтованість квантових обчислень на ЯМР-комп'ютерах.
• Емануель Нілл, Реймонд Лафламм і Жерар Мілберн доводять можливість оптичних квантових обчислень із використанням джерел поодиноких фотонів, лінійних оптичних елементів і детекторів поодиноких фотонів (протокол KLM), відкривши тим самим нову область для експериментального втілення квантових обчислень^[39].

2002

• ARDA публікує першу версію дорожньої карти квантових обчислень (Quantum computation roadmap [Архівовано 10 серпня 2011 у Wayback Machine.]).

2003

• Тодд Піттман із співробітниками (Університет Джонса Гопкінса) та незалежно від них Джеремі О'Браєн із співробітниками (Університет Квінсленда) демонструють логічні елементи CNOT, побудовані на лінійних оптичних елементах^[40][41].
• BBN Technologies разом із дослідниками з Бостонського та Гарвардського університетів вводять в експлуатацію DARPA Quantum Network, першу повнофункціональну квантову мережу^[42].

2004

• В Оксфордському і Йоркському університетах демонструється ЯМР-комп'ютер на чистих станах (використано спінові стани параводню)^[43][44].

2005

• Група вчених із Іллінойського університету в Урбана-Шампейн демонструють сплутаність одночасно декількох ступенів вільності квантової системи (гіперзаплутаність), тим самим дозволяючи створювати в перспективі декілька кубітів в одній частинці^[45].
• Вперше виміряно ємність джозефсонівського переходу; при цьому використано методи, за допомогою яких можна вимірювати стан кубітів, не руйнуючи його^[46][47][48].
• Вченими Інституту квантової оптики й квантової інформації Австрійської академії наук анонсовано перший квантовий байт (кубайт)^[49].
• Групи Міхаіла Лукіна (Гарвардський університет) й Алекса Кузьміча (Технологічний інститут Джорджії) здійснюють передачу квантової інформації між різною «квантовою пам'яттю» — від атомів до фотонів та навпаки^[50][51].

2006

• Джон Мортон і Саймон Бенджамін із факультету матеріалознавства Оксфордського університету продемонстрували «скорострільний» метод квантової корекції помилок (bang-bang method) на замкненому у С₆₀-фулерені кубіті: кубіт неодноразово обстрілюється мікрохвильовим імпульсом, що повністю змінює характер взаємодії кубіта із середовищем, але дозволяє зберегти стан кубіта^[52].
• Дослідники з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн використовують квантовий ефект Зенона, здійснюючи повторювані вимірювання властивостей фотона для поступової їх зміни, що фактично не дозволяє фотонові виконувати потрібний алгоритм, для пошуку у базі даних без власне «запуску» квантового комп'ютера^[53].
• Влатко Вєдрал із університету Лідса разом із колегами з університету Порту та Віденського університету виявили, що фотони у звичайному лазері можна заплутати за допомоги вібрацій макроскопічного дзеркала (незалежно від температури дзеркала)^[54].
• Семюел Браунштейн із Йоркського університету разом із дослідниками з Токійського університету та Агенції з науки та технологій Японії вперше провів експериментальну демонстрацію квантового телеклонування^[55].
• Співробітники Шеффілдського університету розробили метод високоефективного генерування та керування окремими фотонами за кімнатної температури^[56].
• Група Джона Мартініса з Каліфорнійського університету розробила новий метод квантової корекції помилок для комп'ютера на джозефсонівських контактах^[57].
• Реймонд Лафламм із колегами з університету Ватерлоо, МТІ та Інституту теоретичної фізики Периметр протестували перший 12-кубітний квантовий комп'ютер^[58].
• Девід Вайнленд із співробітниками розробили двовимірну йонну пастку^[59].
• Важливий крок до створення квантових вентилів: групі співробітників Боннського університету під керуванням Арно Раушенбойтеля та Дітера Мешеда вперше вдалося вишикувати сім атомів у стійку пряму лінію за допомоги лазерного пінцета^[60].
• Група Лівена Вандерсайпена з Делфтського технологічного університету (Нідерланди) сконструювала прилад для керування електронними станами «спін вниз» та «спін вгору» у квантових точках^[61].
• Групою Чжиміна Вана та Ґреґорі Саламо з Арканзаського університету створено молекули з квантових точок^[62].
• Дімітрій Кульчер, Роланд Уінклер та Крістіан Лехнер розробляють нову теорію, яка демонструє можливість контролювання спіну частинки без використання надпровідних магнітів, що стає важливим кроком у розвитку спінтроніки^[63] та побудові квантового комп'ютера^[64].
• Група Юджина Ползіка з Копенгагенського університету реалізовує квантову телепортацію між фотонами та атомами^[65].
• Сет Ллойд разом із колегами з університету Камерино розвивають теорію заплутаності макроскопічних об'єктів, яка дає можливість використання «ретрансляторів» (quantum repeaters) у квантовому комп'ютері^[66].
• Тай-Чан Чіан із Іллінойського університету в Урбана-Шампейн показує існування квантової когеренції в несумірних електронних системах^[67].
• Група Крістофа Боема з університету Юти демонструє для фосфор-кремнієвого квантового комп'ютера можливість зчитування даних, що закодовані в ядерних спінах^[68].

2007

• Створено хвилевід для видимого світла із діаметром, меншим за довжину світлової хвилі^[69].
• Toshiba спільно з Кавендіською лабораторією розробляють світлодіод, що здатний випускати окремі фотони із довжиною хвилі, придатною для оптоволоконної телекомунікації^[70].
• Група дослідників з Науково-технічного університету Китаю, Іннсбрукського університету та Гайдельберзького університету демонструють багатокомпонентну квантову заплутаність на шести фотонах, експериментально реалізувавши стан Ґрінберґера — Горна — Цайлінґера та кластерний стан, який фактично є реалізацією однобічного квантового комп'ютера^[71].
• Група Ґерхарда Ремпе з Інституту квантової оптики імені Макса Планка реалізувала однофотонний сервер на одному нейтральному атомі, ефективно поєднавши захоплення атома у резонаторі за допомогою його охолодження та генерацію окремих фотонів таким чином, що побудований сервер здатний передавати до 300 000 фотонів за 30 секунд^[72].
• Група дослідників з Віденського університету та університету Квінз доповідає про першу експериментальну реалізацію алгоритму Дойча на кластерних станах^[73].
• Група Майкла Пеппера із колегами розробляють квантову «помпу», що здатна рухати окремі електрони та невеличкі групи електронів уздовж нанодроту за допомоги пульсуючого електростатичного поля^[74].
• Група Міхаіла Лукіна із колегами розробляють квантовий регістр на NV-центрах в алмазі^[75].
• Науковці з Делфтського технологічного університету (Нідерланди) реалізовують вентиль CNOT на парі надпровідних кубітів^[76].
• Група Девіда Вейсса з університету штату Пенсильванія демонструє замикання 250 нейтральних атомів цезію в тривимірній оптичній ґратці й отримує зображення цієї структури та її двовимірних зрізів^[77].
• Науковці з Лондонського центру нанотехнологій та університету штату Флорида пропонують використовувати атом нітрогену, замкненого у С₆₀-фулерені, в умовах сильних магнітних полів та низьких температур, що дозволяє ефективно маніпулювати як електронним, так і ядерним спіном, утворюючи одночасно два кубіти^[78].
• Деніел Лосс та Ларс Самюельсон із колегами вимірюють величину спін-орбітальної взаємодії двох електронів на InAs-нанодроті^[79].
• Вітторіо Джованетті, Сет Ллойд і Лоренцо Макконе пропонують модель оперативної пам'яті для квантового комп'ютера^[80].
• Науковці з Гарвардського університету та Інституту Нільса Бора розробляють теоретичну модель однофотонного транзистора^[81].
• Група Девіда Мьорінга з Мічиганського університету демонструє квантову заплутаність на далекій відстані^[82].
• Групи Ендрю Уайта з університету Квінсленда і Чао-Ян Лу з Науково-технічного університету Китаю незалежно одна від одної реалізовують алгоритм Шора на фотонному квантовому комп'ютері^[83][84].
• Група дослідників із Єльського університету доповідає про розробку квантової шини для передачі інформації між кубітами^[85].
• Група Реймонда Сіммондса з Національного інституту стандартів і технології розробляє квантовий кабель для з'єднання кубітів між собою^[86].
• Науковці з університету штату Флорида розробляють новий матеріал, що являє собою сполуку калію, ніобію та кисню з легованими іонами хрому, які виступають у ролі спінових кубітів, і є кандидатом на роль базової обчислювальної складової квантового комп'ютера, яку в класичному комп'ютері відіграє кремній^[87].
• Toshiba спільно з Кавендіською лабораторією реалізовують елемент квантової пам'яті на спіновому стані окремого електрона у напівпровідниковій квантовій точці, зберігши у ньому циркулярну поляризацію оптичного поля^[88].
• Групи Іва Коломба і Тільмана Есслінґера незалежно одна від одної розробляють прототип елемента квантової пам'яті із використанням конденсата Бозе-Ейнштейна всередині оптичного резонатора, який дозволяє ефективно захоплювати фотони з окремою довжиною хвилі^[89][90].
• D-Wave Systems заявляє про розробку функціонуючого 28-кубітного квантового комп'ютера^[91].
• Науковці з Рочестерського університету пропонують конструкцію молекулярної пастки, що використовує лазери як магнітно-оптичну пастку для охолодження атомів до мілліонної долі градуса вище абсолютного нуля та їх подальшого групування у молекули, що дає можливість захоплювати ультрахолодні полярні молекули, тим самим знижуючи декогеренцію і збільшуючи швидкість квантових обчислень^[92].
• Деніел Лосс із колегами пропонують використовувати квантові точки у графені як спінові кубіти^[93].

2010-ті

2016

• У травні 2016 року IBM запустила IBM Quantum Experience,^[94] з п’ятикубітовим квантовим процесором.

2017

• У березні 2017 року IBM випустила програмне забезпечення Qiskit^[95] щоб допомогти користувачам легше писати код та запускати експерименти на квантовому процесорі та симуляторі.
• Після тривалого процесу налагодження та випробувань у вересні-жовтні 2017 року була проведена відео-конференція із передачею інформації через сплутані квантові стани фотонів між Академією наук Китаю та Академією наук Австрії через дослідницький супутник Micius^[96].

2019

• У січні 2019 IBM запустила перший комерційний квантовий комп'ютер IBM Q System One.^[97]

2020-ті

2020

• У листопаді 2020 одразу дві команди дослідників запропонували підходи до розв'язання нелінійних диференціальних рівнянь на квантовому комп'ютері. Перший метод^[98] спирається на лінеаризацію Карлемана. Другий метод^[99] описує нелінійну систему як конденсат Бозе-Ейнштейна і моделює його динаміку.
• У грудні 2020 року команда вчених з Китайського науково-технічного університету (англ. University of Science and Technology of China) повідомила про досягнення ними нового рекорду у створенні оптичних квантових комп'ютерів, побудованих на основі гаусового бозонного семплінгу та досягнення квантової переваги при розв'язанні цієї конкретної задачі^[100]. На відміну від інших, даний квантовий комп'ютер не програмований, а призначений для розв'язання однієї задачі^[101].