ISO/IEC 4879:2024 情報技術 | ページ 6

※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。

3 用語と定義

ISO と IEC は、標準化に使用する用語データベースを次のアドレスで維持しています。

3.1 背景

3.1.1

モデル

システム、エンティティ、現象、プロセス、またはデータの物理的、数学的、またはその他の適切な表現

[出典:ISO/IEC 22989:2022, 3.1.23, 論理は適切なものに変更されました]

3.1.2

モデルパラメータ

出力の計算方法に影響を与える モデルの内部変数 (3.1.1)

[出典:ISO/IEC 22989:2022, 3.3.8]

3.1.3

機械学習

モデルの動作がデータまたは経験を反映するように、計算技術を通じて モデル パラメーター (3.1.2) を最適化するプロセス。

[出典:ISO/IEC 22989:2022, 3.3.5]

3.1.4

シミュレータ

一連の制御された入力が提供されると、特定のシステムのように動作または動作するデバイス、コンピューター プログラム、またはシステム

[出典:ISO/IEC/IEEE 24765:2017, 3.3750]

3.1.5

プログラム

コンピュータープログラム

特定の プログラミング言語 (3.1.6) の規則に準拠し、特定の関数、タスク、または問題を解決するために必要な宣言とステートメントまたは命令で構成される構文単位

[出典:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, 修正済み — エントリへの注記は省略]

3.1.6

プログラミング言語

プログラムを表現するための人工言語(3.1.5)

[出典:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, 修正済み — エントリへの注記は省略]

3.1.7

プログラミング

プログラムの設計、作成、変更、およびテスト (3.1.5)

[出典:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, 修正 — エントリおよびドメイン識別子の注記 <基本用語> を省略]

3.1.8

コーディング

<コンピュータプログラミング> プログラム(3.1.5)を プログラミング言語(3.1.6) で表現するプロセス

[出典:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, 修正済み — エントリへの注記は省略]

3.1.9

アルゴリズム

一連のルールによって定義され、対応する出力を生成する計算プロセス

[出典:ISO/IEC 18031:2011, 3.1, 修正 - 定義が修正されました]

3.2 量子物理学の背景

3.2.1

ヒルベルト空間

距離、角度、ベクトルノルムを定義できる内積演算を備えたベクトル空間

注記 1: 量子物理学 (3.2.3) の文脈で使用される場合、 量子系 (3.2.6 ) の量子状態空間 (3.2.7 ) は、複素ヒルベルト空間で記述され、状態空間。

注記 2:すべての可能な量子状態は、量子系のヒルベルト空間上の 演算子 (3.2.2) として表現できます。

3.2.2

オペレーター

入力空間の要素を出力空間の要素に変換する数学的実体

注記 1: 量子物理学 (3.2.3) では、単純な演算子は 、ヒルベルト空間 (3.2.1) 内のベクトルに対する行列乗算を介して作用する行列によって数学的に表現できます。

3.2.3

量子物理学

量子力学

物理学の基礎理論。システムの物理的特性は複素 ヒルベルト空間 (3.2.1) 内のベクトルによって完全に決定され、その力学はその空間上の特定の種類の線形変換によって決定されます。

注記 1:量子物理学にはさまざまな定式化が存在しますが、許可される特定の線形変換はすべて、ベル テストやコッヘン・スペッカー テストで調査されるような、古典物理学で生じる可能性があるよりも強力な相関を正確に記述していなければなりません。

注記 2:測定結果の確率は、通常はボーン規則を介して、複素ベクトルから決定されます。

注記 3:重要なことは、量子物理学は、超小型のサイズやエネルギー、あるいは低温など、古典的な物理理論が破綻する可能性がwhere 動作領域における光と物質の挙動をうまく記述することができるということです。

注記 4: 量子コンピューティング (3.4.3) の文脈では、通常、 量子状態 (3.2.7) の 進化は、 ハミルトニアン (3.2.12) を介して非相対論的シュレーディンガー方程式によって支配されると考えるだけで十分です。質量を持つ粒子の場合、または光の場合はマクスウェル方程式の量子電気力学の定式化。ただし、量子力学には、ディラック方程式によって支配される相対論的系の力学など、より広い文脈も含まれます。

3.2.4

量子 、 形容詞

本質的な方法で 量子物理法則 (3.2.3) を利用する、または量子物理 法則から生じる

3.2.5

量子 、 名詞

エネルギーなどの物理的性質の離散的、有限、分割不可能、測定可能な単位

3.2.6

量子システム

その特性が 量子物理学の法則 (3.2.3) によって決定され、古典物理法則だけでは完全に説明できない系

3.2.7

量子状態

量子システムの状態の記述 (3.2.6)、 それに対するあらゆる測定の可能な結果の確率分布を定義する

注記 1:量子状態は、ベクトル、またはより一般的には複素 ヒルベルト空間 (3.2.1) 内の 密度演算子 (3.2.2) によって数学的に表現できます。 (密度演算子の説明については 、量子演算子 (3.2.11) のエントリの注 1 を参照してください。)

注記 2: 量子 (3.2.4) 波動関数は、ヒルベルト空間の特定の基底における量子状態の数学的表現です。波動関数は、位置、運動量、位相などの連続パラメータに対して定義されることがよくあります。

3.2.8

量子重ね合わせ

2 つ以上の異なる 量子状態の複素線形結合 (3.2.7)

3.2.9

基本状態

量子系 (3.2.6) の ヒルベルト空間 (3.2.1) にまたがる 量子 状態のセット (3.2.7) のメンバー

注記 1:ヒルベルト空間内の量子状態は、基底状態の線形結合、または 量子重ね合わせ (3.2.8) として記述できます。

注記 2:基底状態のセットは、完全で正規直交するように選択されることがよくあります。つまり、セットはヒルベルト空間全体に広がり、個々の要素は直交し、長さ 1 に正規化されます。

3.2.10

量子もつれ

少なくとも 2 つの部分系からなり、個々の構成要素の独立した特性の観点から量子状態を記述することができない結合 量子系 (3.2.6) 内の 量子状態 (3.2.7) の特性。

3.2.11

量子演算子

ヒルベルト空間 (3.2.1) の 量子状態 (3.2.7) に作用する 演算子 (3.2.2)

注記 1: 量子物理学 (3.2.3) では、別個の純粋な量子状態の古典的な統計的混合である非純粋 (または混合) 状態は、複素ベクトルの代わりにエルミート密度演算子によって表されます。密度演算子には、量子状態を表すために使用される 基底状態 (3.2.9) 間のコヒーレンスと、それらの状態の統計的分布の両方に関する情報が含まれています。

3.2.12

ハミルトニアン

<量子物理学> 量子系 (3.2.6) のコヒーレントな進化を決定する量子演算子 (3.2.11)

注記 1:ハミルトニアン演算子は、通常、量子系の総エネルギーに対応します。

注記 2:ハミルトニアンの期待値は、特定の量子状態の総エネルギーを与えます。

3.2.13

自分の状態

<量子物理学> 量子状態 (3.2.7) は、複雑なスケーリング係数を除き、 量子演算子 (3.2.11) のアクションによって変更されないままになります。

3.2.14

固有値

<量子物理学> 量子演算子 (3.2.11 ) の 固有状態 (3.2.13) に対応する複素スケーリング係数

注記 1:固有値はエルミート 演算子 (3.2.2) の場合は実数であり、ユニタリ演算子の場合は複素数根です。

3.2.15

固有空間

<量子物理学> 同じ 固有値 (3.2.14) を共有する一連の 固有状態 (3.2.13) によって広がる ヒルベルト空間 (3.2.1)

3.2.16

量子測定

量子状態の物理的性質を出力する処理(3.2.7)

注記 1: 量子測定には、通常、物理的特性の出力をエンコードするメーターシステムとの相互作用が含まれます。

注記 2:量子コンピューティングでは、量子測定は 射影測定 (3.2.17) としてモデル化されることがよくあります。

3.2.17

投影測定

瞬間的に繰り返される測定によって、最初の測定後に達成された 量子状態 (3.2.7) が変化しない 量子測定 (3.2.16)

3.2.18

量子コヒーレンス

量子系の可能な状態間の明確な位相関係の存在または範囲 (3.2.6)

注記 1:量子系における量子コヒーレンスは、多くの場合、その量子系の個々の 量子状態 (3.2.7 ) における異なる基底状態 (3.2.9 ) の集団間で定義されます。

3.2.19

デコヒーレンス

量子コヒーレンスの損失または劣化 (3.2.18)

注記 1: デコヒーレンスには、 量子システム (3.2.6) と環境の自由度の間の相互作用が必要です。

3.2.20

コヒーレンス時間

デコヒーレンスの特性時間スケール (3.2.19)

注記 1:異なるタイプの デコヒーレンス (3.2.19) を調査するために、異なる測定プロトコルを設計することができ、異なる相補的コヒーレンス時間を生じさせることができます。一般的に使用されるプロトコルの重要な例としては、Ramsey, Hahn echo, CMPG などがあります。

3.2.21

リラクゼーションタイム

<量子物理学> 量子系の非平衡状態から定常状態までの崩壊の特徴的な時間スケール (3.2.6)

注記 1: 緩和とは、通常、エネルギー減衰の結果として励起状態からより低いエネルギー状態に減衰することを指します。

注記 2:緩和時定数は通常、次のように表されます。

3.3 量子情報

3.3.1

量子情報

量子状態に含まれる、または 量子状態にエンコードされた情報 (3.2.7) 。

注記 1:量子情報は 、量子 (3.2.4) 操作およびプロセスを介して変換される場合があります。

3.3.2

量子符号化

量子システムの状態における情報の表現 (3.2.6)

3.3.3

量子ビット

2 つの 基底状態 (3.2.9) を持つ 量子システム (3.2.6)

注記 1: Qubit は、 量子 (3.2.4) ビットを表します。

注記 2:量子ビットは 、量子情報の最小単位です (3.3.1) 。

注記 3:量子ビットの ヒルベルト空間 (3.2.1) は、その 2 つの基底状態によって広がる空間です。したがって、量子ビットの 量子状態 (3.2.7) は 、これらの状態の任意 の量子重ね合わせ (3.2.8) になる可能性があります。

注記 4:実際には、量子ビットはwhere 計算情報が 2 つの 基底状態 (3.2.9) のみに格納される多状態量子システムの 物理量子ビット (3.3.5) として実現されることがよくあります。

注5: 「logical qubit (3.3.7)」 および 「qudit (3.3.4)」 も参照。

注記 6:デフォルトでは、この文書は一般に量子ビットに関連する用語を定義しますが、これらの定義は通常、 量子ビット (3.3.4) の場合にも直接適用または一般化することができます。

3.3.4

クディット

基底状態 (3.2.9) を持つ 量子システム (3.2.6) where は 2 以上の整数です

注記 1: Qudit は、 quantum (3.2.4) dit または quantum -level system を表します。

注記 2: Qudit は 、量子情報の倍単位です (3.3.1) 。

注記 3: qudit の ヒルベルト空間 (3.2.1) は、その 基底状態 (3.2.9) によって広がる空間です。したがって、量子ビットの 量子状態 (3.2.7) は 、これらの状態の任意 の量子重ね合わせ (3.2.8) になる可能性があります。

注記 4:実際には、量子ビットはwhere 計算情報が基底状態のみに格納される多状態量子システムにおける 物理量子ビット (3.3.6) として実現されることがよくあります。

注記 5: Qubit (3.3.3) は、「d」が 2 に等しい qudit の特殊なケースです。

注記 6:Qutrit は、「d」が 3 に等しい qudit の特殊なケースです。

注7: 「logical qudit (3.3.4)」 および 「qubit (3.3.3)」 も参照。

3.3.5

物理量子ビット

量子ビット (3.3.3) の 2 つの 基底状態 (3.2.9) 、または 量子情報 (3.3.1) の 1 量子ビットを符号化するために使用される個々の有形 量子システム (3.2.6)

注記 1: 論理量子ビット (3.3.13) とは異なり、物理量子ビットは通常、複数の独立した情報を運ぶコンポーネントに分解できないという点で「還元不可能」です。

注記 2:物理量子ビットは、多くの場合、より大きな完全 ヒルベルト空間 (3.2.1) の 2 状態部分空間に計算情報を格納することによって実現されます (実際に実現されます)量子ビットの量子計算状態と量子計算状態の間の相互作用を最小限に抑えるように設計されています。他の非計算量子状態。

注記 3:科学文献では、その状態空間が厳密には 2 次元ではない場合でも、物理量子ビットは単に量子ビットと呼ばれることがよくあります。

3.3.6

物理的なクディット

量子情報 (3.3.1) または 1 量子ビット (3.3.4) の複数 (d) 基底状態 (3.2.9) を符号化するために使用される個々の有形 量子システム (3.2.6)

注記 1: 論理 qudit (3.3.4) とは異なり、物理 qudit は通常、複数の独立した情報を運ぶコンポーネントに分解できないという点で「還元不可能」です。

注記 2:物理量子ビットは、より大きな完全な ヒルベルト空間 (3.2.1) の - 状態部分空間に計算情報を格納することによって実現される (実際に実現される) こともあり、量子ビットの計算量子状態と他の状態との間の相互作用を最小限に抑えるように設計されています。非計算量子状態。

注記 3:科学文献では、状態空間が厳密には 次元でない場合でも、物理的な qudit は単に qudit と呼ばれることがよくあります。

3.3.7

論理量子ビット

より大きな物理 ヒルベルト空間 (3.2.1) で定義された 1 つ以上の 対称 演算子 (3.2.2 ) の結合 2 次元固有空間 (3.2.15) でエンコードされた 量子ビット (3.3.3)

注記 1:論理量子ビット ヒルベルト空間の 2 つの 基底状態 (3.2.9) は、その論理量子演算子 (正規 量子演算子) (3.2.11) を指定するために使用されます。

注 2:対称演算子は 、ヒルベルト空間全体にわたってサポートされなければなりません (3.2.1) 。数学的には、これには対称演算子がゼロ 固有値 (3.2.14) 固有空間 (3.2.15) を持たないことが必要です。

3.3.8

論理的なクディット

より大きな物理的 ヒルベルト空間 (3.2.1) 内で定義された 1 つ以上の対称 演算子 (3.2.2) の結合 d 次元 固有空間 (3.2.15) でエンコードされた qudit (3.3.4)

注記 1:論理量子論 ヒルベルト空間 (3.2.1) の d 基底状態 (3.2.9) は、 その論理量子演算子、または 正規量子演算子 (3.2.11) を指定するために使用されます。

注記 2:対称演算子は 、ヒルベルト空間全体にわたってサポートされなければなりません (3.2.1) 。数学的には、対称演算子が ゼロ固有値 (3.2.14) 固有空間 (3.2.15) を持たないことが必要です。

3.3.9

論理演算子

<量子コンピューティング> 論理量子ビット (3.3.7) or 論理量子ビット (3.3.8) 基底状態 (3.2.9) に対して定義された正準 量子演算子 (3.2.11)

注記 1:たとえば、単一 量子ビット (3.3.3) の標準論理演算子は、論理演算子です。 (位相反転) 量子ゲート (3.4.2) 。

注記 2:古典的なコンピューティングのコンテキストでは、論理演算子は NAND や XOR などの論理ゲートを参照できます。

3.3.10

状態の忠実度

2 つの 量子状態 (3.2.7) の類似性の尺度。一方の状態が他方の状態として識別されるテストに合格する確率を表す

注記 1:量子コンピューティングでは、状態の忠実度は、理想状態または目標状態を参照して説明されることがよくあります。

注記 2:状態忠実度の他の数学的定義は時間の経過とともに使用されてきたため、報告された忠実度を比較する場合には注意が必要です。

3.3.11

忠実度

数学的オブジェクト間の類似性の尺度。適切な状態に似た表現の 状態忠実度 (3.3.10) によって定義されます。

3.3.12

プロセスの忠実度

2 つの量子プロセス間の 忠実度 (3.3.11)

3.4 量子処理

3.4.1

量子情報処理

量子処理

量子重ね合わせ (3.2.8) や 量子もつれ (3.2.10) などの特性を本質的な方法で使用して、 量子情報 (3.3.1) を保存および処理するプロセス、アルゴリズム、または計算。

注記 1:忠実度が報告される一般的な量子プロセスの例にはwhere 量子ゲート (3.4.2) および 量子測定 (3.2.16) が含まれます。

3.4.2

量子ゲート

入力 量子状態 (3.2.7) を出力量子状態に変換する 適用された量子 (3.2.4) 操作

注記 1:個々の量子ゲートは、入力量子状態と出力量子状態の間の特定の数学的変換によって定義または特徴付けられます。

注記 2:量子ゲートの非自明なシーケンスによる 量子情報の処理 (3.3.1) は、回路ベースの 量子コンピューティング (3.4.11) の特徴です。 量子回路 (3.4.5) のコンテキストでは、個々の量子ゲートは通常、限られた数の 量子ビットに作用します (3.3.3) 。

注記 3: 量子プロセッサ (3.4.8) では、量子ゲートは多くの場合、外部制御、信号、またはコンポーネントによってアクティブ化される有限期間の 量子システム (3.2.6) の進化または操作を介して実装されます。

3.4.3

一体型ゲート

量子状態 間の内積を保存する 量子ゲート (3.4.2) (3.2.7)

注記 1:ユニタリーゲートは、 量子システム (3.2.6) の デコヒーレンス (3.2.19) を引き起こしません。

3.4.4

ゲートの忠実度

理想的な ターゲット量子ゲート (3.4.2) に関連して定義された プロセス忠実度 (3.3.12)

注記 1:量子コンピューティングでは、理想的なターゲット量子ゲートは通常、 ユニタリー ゲート (3.4.3) です。

3.4.5

量子回路

量子ゲート (3.4.2) およびその他の演算の組み合わせまたはシーケンス

注記 1:量子回路は通常、個々のゲートよりも複雑な機能を実行するように設計されています。

注記 2:この文脈における他の操作の例には、 量子状態 (3.2.7) の 準備および 量子測定 (3.2.16) が含まれます。

3.4.6

量子誤り訂正

論理量子ビットの対称性を利用することにより、論理的に符号化された 量子情報 (3.3.1) を測定することなく、 論理量子ビット (3.3.7) の構成部分のエラーを診断および修正する手順

注記 1:通常、エラーは環境との相互作用、または 量子ゲート (3.4.2) の不正確な実装によって引き起こされます。

注記 2:量子誤り訂正プロトコルは、 -次元 論理 qudits (3.3.8) に対して機能するように設計することもできます。

注記 3:量子誤り訂正の目的は、論理量子ビットまたは論理量子ビットに符号化された 量子情報 (3.3.1) の構成部分の誤りおよび不完全性に対する感度を低下させることです。

3.4.7

量子エラーの軽減

量子プロセッサ (3.4.8) におけるエラー、ノイズ、またはそれらの影響を改善または部分的に補償して、その出力または結果のエラーを減らすために設計された手順

注記 1:量子エラーの軽減は、量子プロセッサの実行時またはデータの後処理中に実装できます。

注記 2:量子誤り軽減技術は 、量子誤り訂正 (3.4.6) またはフォールトトレラント 量子コンピューティング (3.4.11) と必ずしも互換性があるわけではありませんが、互換性がある場合には、量子誤りを軽減するために設計された一連の対策の一部を形成する可能性があります。 量子回路 (3.4.5) の エラー率はwhere 完全なフォールト トレランスのしきい値を超えるレベルになります。

3.4.8

量子プロセッサ

量子情報処理を行う有形の装置(3.4.1)

3.4.9

量子アルゴリズム

量子プロセッサ (3.4.8) で使用する アルゴリズム (3.1.9)

注記 1: 量子アルゴリズムには、古典情報処理と 量子情報処理 (3.4.1) の両方の側面が組み込まれていることがよくあります。

注記 2:この定義で使用される量子アルゴリズムの出力は、非常に柔軟な概念であることを意図しています。たとえば、それは 量子状態 (3.2.7 ) の量子測定 (3.2.16) の結果である可能性があり、その状態自体がさらなる計算のためのリソースとして直接使用されるか、あるいは単に現在の状態である可能性さえあります。 論理量子メモリ (3.4.29) の進行中の 量子エラー訂正 (3.4.6) 中の場合のように、量子プロセッサの。

注記 3:量子アルゴリズムは、必要な結果を抽出するために複数回実行する必要があるように設計できます。たとえば、ノイズを克服するため、または近似 量子回路を使用してターゲット アルゴリズムを効率的に実装する手段として使用できます (3.4.5) 。

3.4.10

量子コンピュータ

完全な ヒルベルト空間 (3.2.1) 内で定義されたユニタリ ダイナミクスを実装または近似できる、完全にプログラム可能な 量子プロセッサ (3.4.8)

注記 1: 回路ベースの量子コンピューティング (3.4.13) では、量子コンピュータは 量子ゲートのユニバーサル セット (3.4.2) にアクセスできます。

注記 2:量子コンピュータは 、量子ビット (3.3.3) でエンコードされた 量子情報 (3.3.1) を 最も一般的に使用します。

注記 3:制限付きまたは非ユニバーサル量子コンピュータは、より広範な 量子プロセッサ (3.4.8) のカテゴリに属します。これには、量子シミュレータ (3.4.22) や 量子シミュレータ (3.4.22) などの例を含む、ユニバーサル量子コンピュータと非ユニバーサル量子コンピュータの両方が含まれます。 量子アニーラー (3.4.31) 。

3.4.11

量子コンピューティング

量子コンピュータで実行できる計算 (3.4.10)

3.4.12

フォールトトレラントな量子コンピューティング

個々のエラーが無制限に計算を通じてカスケードすることを抑制するフォールトトレラント 量子回路 (3.4.5) 設計原則を使用する 量子コンピューティング (3.4.11)

注記 1: 量子誤り訂正 (3.4.6) と組み合わせると、フォールトトレラント量子コンピューティングは、計算サイズに依存しない、誤りモデルに対して有限の誤りしきい値を示し、そのしきい値を下回ると任意の長い計算を実行できます。任意に良い精度に。

注記 2:フォールトトレラント量子コンピューティングの定義には必ずしも誤り訂正が必要ではありませんが、完全なフォールトトレランスを達成するにはフォールトトレラント設計原則と量子誤り訂正の両方が必要であるというのが一般的な用法です。

3.4.13

回路ベースの量子コンピューティング

ゲートベースの量子コンピューティング

量子回路 (3.4.5) の実行に基づく 量子コンピューティングの原型モデル (3.4.11)

3.4.14

一方向量子コンピューティング

測定ベースの量子コンピューティング

量子コンピューティングの測定ベースのモデル (3.4.11) は、高度にもつれたリソース状態に対して、一連の 単一量子ビット (3.3.3) 量子測定 (3.2.16) およびフィードフォワード操作を実行することによって実行されます。

注記 1:リソース状態は、計算の開始前に準備することも、測定およびフィードフォワード操作に先んじて維持するために初期リソース状態から計算中に継続的に拡張することもできます。

3.4.15

断熱量子コンピューティング

望ましい解の状態に向けた 量子状態 (3.2.7) の継続的かつ段階的な進化を伴う量子 コンピューティングのハミルトニアン ベースのモデル (3.4.11)

3.4.16

トポロジカル量子コンピューティング

量子ゲート (3.4.2) where ブレイディングによって実行される、非アーベル励起を伴うトポロジー的に順序付けられた 量子システム (3.2.6) を使用する 量子コンピューティング (3.4.11) のモデル

注記 1: トポロジカルに順序付けられた量子システムは、通常、基礎となる空間多様体のトポロジカル特性 (通常はベッティ数) に依存する縮退を伴うギャップのある基底 量子状態 (3.2.7) と関連付けられ、境界が次の場合にはギャップのないエッジ モードとなります。現在。たとえば、2 次元空間多様体の場合、励起は任意の統計 (アニオン) を持つ粒子のようなものになります。

注記 2: 非アーベル アニオンの例には、 1D ナノワイヤおよび非アーベル量子二重スピン格子モデルにおけるマヨラナ エッジ モードの準粒子が含まれます。表面コード 量子ビット (3.3.3) 格子の欠陥は、アーベル アニオンの一例です。

3.4.17

量子コード

<量子誤り> 量子誤り訂正(3.4.6) 、抑制、検出、またはフォールトトレラントを可能にするために 論理量子ビット(3.3.7) or 論理量子ビット(3.3.6)をエンコードするために使用される 基底状態(3.2.9) のセット 量子コンピューティング (3.4.16)

注記 1: 例示的な例には、繰り返しコード、表面コード、および GKP コードが含まれます。

3.4.18

量子符号化

<量子エラー> 量子情報 (3.3.1) を保護するための 量子符号 (3.4.17) の使用

注記 1: 量子誤り訂正 (3.4.6) 、 量子通信 (3.6.1) または量子暗号で使用するため

3.4.19

量子符号化

<基礎量子情報理論> 量子符号化(3.3.2)

3.4.20

量子符号化

<量子プログラミング> 量子プロセッサ (3.4.1) の コーディング (3.4.19)

3.4.21

量子プログラミング

<量子ソフトウェア> 量子プロセッサ (3.4.8 ) 用の プログラミング (3.1.6)

3.4.22

量子シミュレータ

量子エミュレータ

<古典的ソフトウェア> 古典的なコンピュータプログラムを使用した 量子回路(3.4.5) or 量子システム(3.2.6) の シミュレータ(3.1.4)

3.4.23

量子シミュレータ

量子プロセッサ (3.4.8) を使用した複雑なターゲット システムの モデル (3.1.1) のダイナミクスの シミュレーター (3.1.4)

3.4.24

デジタル量子シミュレータ

離散化量子回路 (3.4.5) を使用する 量子シミュレータ (3.4.22)

3.4.25

アナログ量子シミュレータ

量子エミュレータ

量子シミュレータ (3.4.23) のダイナミクスは、ターゲット 量子システム (3.2.6) の モデル (3.1.1) の完全なダイナミクスを直接マッピングします。

注1:​​アナログ量子シミュレータは通常、有用な方法で調整、制御、測定できるように設計されていますが、たとえば、基礎となるターゲット量子システムでは必ずしも簡単に実現できるわけではありません。

3.4.26

回路ベースの量子コンピューター

ゲートベースの量子コンピュータ

回路ベースの量子コンピューティングを実行する有形のデバイス (3.4.13)

3.4.27

一方向量子コンピューター

一方向量子コンピューティングを実行する有形デバイス (3.4.14)

注記 1: 量子物理学 (3.2.3) では、断熱進化は、時間依存 ハミルトニアン (3.2.12) のエネルギー 固有状態間の瞬間的なギャップ (3.2.13) と比較して、連続的かつ段階的な進化として定義されます。 。

3.4.28

断熱量子コンピュータ

断熱量子コンピューティングを実行する有形のデバイス (3.4.15)

3.4.29

量子メモリ

後の検索のために 量子状態 (3.2.7) or 量子システム (3.2.6) を保存できるデバイスまたは 量子プロセッサ (3.4.8) のコンポーネント。

3.4.30

シミュレーター

一連の制御された入力が提供されると、特定のシステムのように動作または動作するデバイス、コンピューター プログラム、またはシステム

[出典:ISO/IEC/IEEE 24765:2017, 3.3750]

3.4.31

量子アニーラー

ハミルトニアン (3.2.12) の低速または断熱変化の結果として誘発される 量子 (3.2.4) トンネリングを利用して、解を符号化する最小エネルギー 量子状態 (3.2.7) を見つける 量子プロセッサ (3.4.8) 離散古典探索または最適化問題へ

注記 1:量子アニーリングで使用される遅い制御パラメータ進化の重要な原理は、断熱 量子コンピューティング (3.4.15) で使用されるものと似ています。

3.4.32

カプラー

<量子ハードウェア> 量子システム (3.2.6) 、 量子 (3.2.4) デバイス、または 量子プロセッサ (3.4.8) の 2 つ以上の部分を接続して相互作用できるように設計されたハードウェア要素、またはハードウェア要素の一部。

注記 1:量子ハードウェアでは、要素が 量子コヒーレンス (3.2.18) を維持するように動作する限り、カプラー要素は設計において古典的でも明示的に量子的でも構いません。例としては、集積フォトニクスの光モードカプラーや超伝導マイクロ波回路の容量性結合器などの古典的要素、超伝導 量子ビット (3.3.3) や結合バスとして使用される共振器などの量子要素が挙げられます。

3.5 量子技術

3.5.1

量子シミュレーション

複雑な 量子系の静的および動的物理的性質を計算することを目的とした計算タスク (3.2.6)

注記 1:量子シミュレーションは、量子システムが十分に複雑である場合、たとえば、十分に多くの構成要素がある場合、または十分に大きな ヒルベルト空間で複雑なダイナミクスを経験する場合にのみ、古典的コンピューティングよりも利点を提供します (3.2.1) 。

注記 2: 量子コンピューティング (3.4.11) のコンテキストでは、量子シミュレーション アルゴリズムは通常、スケーラブルでフォールト トレラントなシミュレーションを可能にするためにデジタル化されます。アナログ量子シミュレータは、ターゲット システムを直接模倣するように量子システムを設計しますが、フォールト トレラントな動作は実現しません。

注記 3: 量子シミュレーションの応用例には、先端材料製造、量子化学、医薬品設計などがあります。

3.5.2

量子機械学習

機械学習 (3.1.3) と 量子アルゴリズム (3.4.9) の概念とツールを組み合わせた一連の計算タスク

注記 1: 量子 (3.2.4) 機械学習内では、現在の 4 つの明確な開発方向は次のとおりです。 (i) 量子コンピューター (3.4.10) を使用して モデル (3.1.1) のトレーニングと開発を加速する量子支援機械学習 ) 古典的な機械学習の場合、(ii) 量子強化機械学習ここで, 量子コンピューターは古典的な機械学習アプリケーションの特定のサブルーチンを加速します、(iii) 機械学習支援量子ここで, 古典的な機械学習はコンパイルを最適化するために使用されますハードウェア プラットフォーム用の量子アルゴリズム、および (iv) 量子ニューラル ネットワークや量子サポート ベクター マシンなどwhere 機械学習が本質的に量子である量子固有機械学習。

3.5.3

サンプリングアルゴリズム

与えられた確率分布に従って出力サンプルを生成することを目的とした計算タスク

注記 1: 量子 (3.2.4) サンプリングアルゴリズムの例には、量子ギブスサンプリングと量子メトロポリスサンプリングが含まれます。

注記 2: サンプリングアルゴリズムの応用には、材料科学、量子化学、暗号学が含まれる。サンプリング アルゴリズムは 、最適化 (3.5.4) 問題を解決するために使用されることがあります。

3.5.4

最適化

量子情報処理を介して実行される計算最適化タスク (3.4.1)

注記 1: 量子 (3.2.4) 最適化アルゴリズムの例には、量子半定値計画法、量子組み合わせ最適化、充足可能性問題用の 量子アルゴリズム (3.4.9) が含まれます。さらに、変分量子固有ソルバー、量子近似最適化アルゴリズム (QAOA)、量子アニーリング アルゴリズム、量子断熱最適化は通常、コスト関数の最小化とパターン マッチングに使用されます。

注記 2: 量子最適化アルゴリズムの潜在的なエンドユーザー・アプリケーションには、金融ポートフォリオの最適化、サプライチェーンの最適化、およびスケジューリングの最適化が含まれます。

3.5.5

線形システムの解決

指定された一次方程式系を満たすベクトル解を出力する計算タスク

注記 1:線形システムの解法は、科学、数学、工学、医学、ビジネス、社会科学にわたって多くの応用が見られます。

注記 2:線形システムの方程式を解くための主要な 量子アルゴリズム (3.4.9) は、HHL (Harrow, Hassidim, Lloyd) アルゴリズムとして知られており、その解を 量子コンピューター (3.4.9) の格納されたレジスター状態にマッピングします。 10) 。

3.5.6

検索アルゴリズム

潜在的に補助的な確率的推測アルゴリズムの助けを借りて、指定された出力を生成する関数への入力を見つけることを目的とした計算タスク

注記 1:グローバーの 量子 (3.2.4) 検索アルゴリズムと量子振幅増幅アルゴリズムは、非構造化検索問題とヒューリスティック検索問題 (確率的推測アルゴリズムにアクセスできるもの、つまりヒューリスティック) をそれぞれ、二次関数の高速化で解決します。古典的なアルゴリズム。

注記 2:グローバーの量子探索アルゴリズムは、複雑度クラス NP (非決定的多項式時間) のあらゆる問題に適用できます。

3.5.7

隠れたサブグループの問題

数学的群に作用する与えられた関数によって隠された部分群を見つけることを目的とした計算タスク

注記 1:群がアーベル型の場合、隠れサブグループ問題は 量子アルゴリズム (3.4.9) による効率的な、つまり多項式時間の解を持ちます。

注記 2:隠れたサブグループ問題を解決する効率的な量子アルゴリズムは 、量子コンピューター (3.4.10) を使用してさまざまな暗号システムを解読する効率的な方法を提供します。重要な例には、準素数整数を効率的に因数分解して RSA 暗号化プロトコルを侵害できるショールの周期探索量子アルゴリズムや、楕円曲線暗号を効率的に解読できるショールの離散対数量子アルゴリズムなどがあります。

3.5.8

ボソンサンプリング

ボソン様 量子系 (3.2.6) 上で動作するランダムユニタリ 量子回路 (3.4.5) からサンプルを生成する サンプリングアルゴリズム (3.5.3) を実装する 量子情報処理モデル (3.4.1)

注記 1:ボソンサンプリングは 量子コンピューティング (3.4.11) には普遍的ではなく、既存のスキームではエラーを修正できません。

注記 2:ボソンは、粒子交換のもとでは区別できない粒子である。

注記 3:量子コンピューティングの文脈では、最も一般的に使用されるボソンは、光子のような調和振動子モード励起です。ボソンサンプリングは通常、光子と線形光回路を使用して実装されます。

注記 4:ボーソンは 、量子ビット (3.3.4) 量子情報 (3.3.1) を符号化するために一般的に使用されます。

注5:ランダム回路サンプリング・プロトコルは、 量子ビット(3.3.3) 量子情報プロセッサ用の量子ランダム・サンプリング・アルゴリズムを実装し、量子コンピューティングにおける最初の量子超越性実験の基礎を形成します。同様に、ボソンサンプリングは、一部の非普遍的な量子情報プロセッサにおいて量子超越性を実証するための基礎として使用されてきました。

3.6 関連する量子技術

3.6.1

量子通信

情報交換に 量子情報処理(3.4.1)を 本質的に利用した通信

注記 1:ポスト量子暗号など、通信のすべての段階で古典的な情報処理と送信を使用するプロトコルは、量子通信ではなく、量子安全通信または量子安全通信というより広いカテゴリーに当てはまります。

3.6.2

量子暗号

量子通信(3.6.1) を本質的に利用した暗号

3.6.3

量子センサー

量子センシングを実行する有形のデバイス (3.6.4)

注記 1:有用な量子センサーは、従来のセンサーで達成できるものよりも向上したパフォーマンスを提供する能力を備えており、この向上はセンサーによって利用される 量子 (3.2.4) 特性から生じるものと考えられます。

3.6.4

量子センシング

量子情報処理 (3.4.1) を使用して対象の物理量を測定するプロセス

参考文献

1ISO/IEC 2382:2015, 情報技術 - 語彙
2ISO/IEC 18031:2011, 情報技術 - セキュリティ技術 - ランダム ビット生成
3ISO/IEC 22989:2022, 情報技術 — 人工知能 — 人工知能の概念と用語
4ISO/IEC/IEEE 24765:2017, システムおよびソフトウェア エンジニアリング — 語彙

3 Terms and definitions

ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:

3.1 Background

3.1.1

model

physical, mathematical, or otherwise appropriate representation of a system, entity, phenomenon, process or data

[SOURCE:ISO/IEC 22989:2022, 3.1.23, logical has been changed to appropriate]

3.1.2

model parameter

internal variable of a model (3.1.1) that affects how it computes its outputs

[SOURCE:ISO/IEC 22989:2022, 3.3.8]

3.1.3

machine learning

process of optimizing model parameters (3.1.2) through computational techniques, such that the model's behaviour reflects the data or experience

[SOURCE:ISO/IEC 22989:2022, 3.3.5]

3.1.4

simulator

device, computer program, or system that behaves or operates like a given system when provided a set of controlled inputs

[SOURCE:ISO/IEC/IEEE 24765:2017, 3.3750]

3.1.5

program

computer program

syntactic unit that conforms to the rules of a particular programming language (3.1.6) and that is composed of declarations and statements or instructions needed to solve a certain function, task, or problem

[SOURCE:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, modified — Notes to entry omitted]

3.1.6

programming language

artificial language for expressing programs (3.1.5)

[SOURCE:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, modified — Notes to entry omitted]

3.1.7

programming

designing, writing, modifying, and testing of programs (3.1.5)

[SOURCE:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, modified — Notes to entry and domain identifier <fundamental terms> omitted]

3.1.8

coding

<computer programming>process of expressing a program (3.1.5) in a programming language (3.1.6)

[SOURCE:ISO/IEC 2382:2015, 2121374, modified — Notes to entry omitted]

3.1.9

algorithm

process for computation, defined by a set of rules, that will yield a corresponding output

[SOURCE:ISO/IEC 18031:2011, 3.1, modified — Definition was modified]

3.2 Quantum physics background

3.2.1

Hilbert space

vector space equipped with an inner product operation which allows distances, angles and vector norms to be defined

Note 1 to entry: When used in the context of quantum physics (3.2.3) , the space of quantum states (3.2.7) of a quantum system (3.2.6) is described by a complex Hilbert space, referred to as the state space.

Note 2 to entry: All possible quantum states can be represented as operators (3.2.2) on the quantum system’s Hilbert space.

3.2.2

operator

mathematical entity that transforms the elements of an input space to the elements of an output space

Note 1 to entry: In quantum physics (3.2.3) , simple operators can be mathematically represented by a matrix that acts via matrix multiplication on vectors in a Hilbert space (3.2.1) .

3.2.3

quantum physics

quantum mechanics

fundamental theory of physics, in which physical properties of systems are completely determined by vectors in a complex Hilbert space (3.2.1) whose dynamics are determined by specific types of linear transformations on that space

Note 1 to entry: There are many different formulations of quantum physics, but the specific linear transformations allowed must all correctly describe stronger correlations than can arise in classical physics, such as those that are probed by Bell and Kochen-Specker tests.

Note 2 to entry: Measurement outcome probabilities are determined from the complex vectors, typically via the Born rule.

Note 3 to entry: Importantly, quantum physics is able to successfully describe the behaviour of light and matter in operating regimes where classical theories of physics can break down, like ultrasmall sizes or energies or at low temperatures.

Note 4 to entry: In the context of quantum computing (3.4.3) , it is normally sufficient to consider quantum state (3.2.7) evolution as being governed by the non-relativistic Schrödinger equation through the Hamiltonian (3.2.12) , for particles with mass, or the quantum electrodynamics formulation of Maxwell’s equations, for light. However, quantum dynamics also includes broader contexts, such as the dynamics of relativistic systems, which are governed by the Dirac equation.

3.2.4

quantum , adjective

making use of or arising from the laws of quantum physics (3.2.3) in an essential way

3.2.5

quantum , noun

discrete, finite, indivisible, and measurable unit of a physical property such as energy

3.2.6

quantum system

system whose properties are determined by the laws of quantum physics (3.2.3) , and cannot be completely described by just the laws of classical physics

3.2.7

quantum state

description of the state of a quantum system (3.2.6) defining the probability distribution of possible outcomes of any measurement upon it

Note 1 to entry: A quantum state can be mathematically represented by a vector or, more generally, a density operator (3.2.2) in the complex Hilbert space (3.2.1) . (See Note 1 to entry in quantum operator (3.2.11) for discussion of density operators.)

Note 2 to entry: A quantum (3.2.4) wave-function is the mathematical representation of a quantum state in a particular basis of the Hilbert space. Wave-functions are often defined over continuous parameters, such as position, momentum and phase.

3.2.8

quantum superposition

complex linear combination of two or more different quantum states (3.2.7)

3.2.9

basis states

members of a set of quantum states (3.2.7) which span the Hilbert space (3.2.1) of a quantum system (3.2.6)

Note 1 to entry: Any quantum state in the Hilbert space can be written as a linear combination, or quantum superposition (3.2.8) , of basis states.

Note 2 to entry: A set of basis states is often chosen to be complete and orthonormal. That is, the set spans the entire Hilbert space, and individual elements are orthogonal and normalised to length 1.

3.2.10

quantum entanglement

property of a quantum state (3.2.7) within a joint quantum system (3.2.6) , consisting of at least two subsystems, for which the quantum state cannot be described in terms of independent characteristics of its individual constituents

3.2.11

quantum operator

operator (3.2.2) that acts on quantum states (3.2.7) in Hilbert space (3.2.1)

Note 1 to entry: In quantum physics (3.2.3) , non-pure (or mixed) states, which are classical statistical mixtures of distinct pure quantum states, are represented by Hermitian density operators instead of complex vectors. Density operators contain information about both coherences between the basis states (3.2.9) used to represent the quantum state, and about the statistical distribution of those states.

3.2.12

Hamiltonian

<quantum physics> quantum operator (3.2.11) which determines the coherent evolution of a quantum system (3.2.6)

Note 1 to entry: The Hamiltonian operator usually corresponds to the total energy of a quantum system.

Note 2 to entry: The expectation value of the Hamiltonian gives the total energy for a particular quantum state.

3.2.13

eigenstate

<quantum physics> quantum state (3.2.7) left unchanged by the action of a quantum operator (3.2.11) , except for a complex scaling factor

3.2.14

eigenvalue

<quantum physics>complex scaling factor corresponding to the eigenstate (3.2.13) of a quantum operator (3.2.11)

Note 1 to entry: Eigenvalues are real for Hermitian operators (3.2.2) and complex roots of unity for unitary operators.

3.2.15

eigenspace

<quantum physics> Hilbert space (3.2.1) spanned by a set of eigenstates (3.2.13) that share the same eigenvalue (3.2.14)

3.2.16

quantum measurement

process that outputs a physical property of a quantum state (3.2.7)

Note 1 to entry: Quantum measurement usually involves interaction with a meter system which encodes the output of the physical property.

Note 2 to entry: In quantum computing, quantum measurement is often modelled as a projective measurement (3.2.17) .

3.2.17

projective measurement

quantum measurement (3.2.16) for which instantaneously repeated measurements do not change the quantum state (3.2.7) achieved after an initial measurement

3.2.18

quantum coherence

existence or extent of unambiguous phase relationships between possible states of a quantum system (3.2.6)

Note 1 to entry: Quantum coherence in a quantum system is often defined between populations of different basis states (3.2.9) in an individual quantum state (3.2.7) of that quantum system.

3.2.19

decoherence

loss or degradation of quantum coherence (3.2.18)

Note 1 to entry: Decoherence requires interaction between a quantum system (3.2.6) and environmental degrees of freedom.

3.2.20

coherence time

characteristic time scale for decoherence (3.2.19)

Note 1 to entry: Different measurement protocols can be designed to probe different types of decoherence (3.2.19) , and give rise to different complementary coherence times. Important examples of commonly used protocols are Ramsey, Hahn echo and CMPG.

3.2.21

relaxation time

<quantum physics>characteristic time scale for decay from a non-equilibrium state to the steady state of a quantum system (3.2.6)

Note 1 to entry: Relaxation commonly refers to decay from an excited state to a lower energy state as a result of energy decay.

Note 2 to entry: The relaxation time constant is usually denoted by .

3.3 Quantum information

3.3.1

quantum information

information contained or encoded in a quantum state (3.2.7) .

Note 1 to entry: Quantum information may be transformed via quantum (3.2.4) operations and processes.

3.3.2

quantum encoding

representation of information in states of a quantum system (3.2.6)

3.3.3

qubit

quantum system (3.2.6) with two basis states (3.2.9)

Note 1 to entry: Qubit stands for quantum (3.2.4) bit.

Note 2 to entry: Qubit is the smallest unit of quantum information (3.3.1) .

Note 3 to entry: The Hilbert space (3.2.1) of a qubit is the space spanned by its two basis states. The quantum state (3.2.7) of a qubit can therefore be any quantum superposition (3.2.8) of these states.

Note 4 to entry: In practice, qubits are often realised as physical qubits (3.3.5) in many-state quantum systems where the computational information is stored in only two basis states (3.2.9) .

Note 5 to entry: See also logical qubit (3.3.7) and qudit (3.3.4) .

Note 6 to entry: By default, this document generally defines terms in relation to qubits, but these definitions can usually also be straightforwardly applied or generalised to the case of qudits (3.3.4) .

3.3.4

qudit

quantum system (3.2.6) with basis states (3.2.9) where is an integer greater than or equal to two

Note 1 to entry: Qudit stands for quantum (3.2.4) dit or quantum -level system.

Note 2 to entry: Qudit is a -fold unit of quantum information (3.3.1) .

Note 3 to entry: The Hilbert space (3.2.1) of a qudit is the space spanned by its basis states (3.2.9) . The quantum state (3.2.7) of a qudit can therefore be any quantum superposition (3.2.8) of these states.

Note 4 to entry: In practice, qudits are often realised as physical qudits (3.3.6) in many-state quantum systems where the computational information is stored in only basis states.

Note 5 to entry: Qubit (3.3.3) is a special case of qudit in which “d” is equal to 2.

Note 6 to entry:Qutrit is a special case of qudit in which “d” is equal to 3.

Note 7 to entry: See also logical qudit (3.3.4) and qubit (3.3.3) .

3.3.5

physical qubit

individual tangible quantum system (3.2.6) that is used to encode the two basis states (3.2.9) of a qubit (3.3.3) , or one qubit of quantum information (3.3.1)

Note 1 to entry: Unlike a logical qubit (3.3.13), a physical qubit is usually “irreducible” in that it cannot be broken down into multiple independent information-carrying components.

Note 2 to entry: A physical qubit is often realized (brought about in practice) by storing computational information in a two-state subspace of a larger full Hilbert space (3.2.1) , engineered to minimize interactions between the qubit computational quantum states and other non-computational quantum states.

Note 3 to entry: In the scientific literature, a physical qubit is often just called a qubit, even though its state space may not be strictly two-dimensional.

3.3.6

physical qudit

individual tangible quantum system (3.2.6) that is used to encode the multiple (d) basis states (3.2.9) of a qudit (3.3.4) or one qudit of quantum information (3.3.1)

Note 1 to entry: Unlike a logical qudit (3.3.4) , a physical qudit is usually “irreducible” in that it cannot be broken down into multiple independent information-carrying components.

Note 2 to entry: A physical qudit is sometimes realised (brought about in practice) by storing computational information in a -state subspace of a larger full Hilbert space (3.2.1) , engineered to minimize interactions between the qudit computational quantum states and other non-computational quantum states.

Note 3 to entry: In the scientific literature, a physical qudit is often just called a qudit, even though its state space may not be strictly -dimensional.

3.3.7

logical qubit

qubit (3.3.3) encoded in a joint two-dimensional eigenspace (3.2.15) of one or more symmetry operators (3.2.2) defined with a larger physical Hilbert space (3.2.1)

Note 1 to entry: The two basis states (3.2.9) of the logical qubit Hilbert space are used to specify its logical, or canonical, quantum operators (3.2.11) .

Note 2 to entry: Symmetry operators must have support across the entire Hilbert space (3.2.1) . Mathematically, this requires that the symmetry operators do not have a zero- eigenvalue (3.2.14) eigenspace (3.2.15) .

3.3.8

logical qudit

qudit (3.3.4) encoded in a joint d-dimensional eigenspace (3.2.15) of one or more symmetry operators (3.2.2) defined within a larger physical Hilbert space (3.2.1)

Note 1 to entry: The d basis states (3.2.9) of the logical qudit Hilbert space (3.2.1) are used to specify its logical, or canonical, quantum operators (3.2.11) .

Note 2 to entry: Symmetry operators must have support across the entire Hilbert space (3.2.1) . Mathematically, this requires that the symmetry operators do not have a zero-eigenvalue (3.2.14) eigenspace (3.2.15) .

3.3.9

logical operator

<quantum computing>canonical quantum operator (3.2.11) defined relative to logical qubit (3.3.7) or logical qudit (3.3.8) basis states (3.2.9)

Note 1 to entry: For example, standard logical operators for a single qubit (3.3.3) are the logical (phase-flip) quantum gates (3.4.2) .

Note 2 to entry: In a classical computing context, a logical operator can refer to a logical gate, like a NAND or XOR.

3.3.10

state fidelity

measure of the similarity of two quantum states (3.2.7) that expresses the probability that one state will pass a test to identify as the other

Note 1 to entry: In quantum computing, state fidelities are often described in reference to an ideal or target state.

Note 2 to entry: Other mathematical definitions of state fidelity have been used over time, so care is required when comparing reported fidelities.

3.3.11

fidelity

measure of similarity between mathematical objects, defined via the state fidelity (3.3.10) for their appropriate state-like representations

3.3.12

process fidelity

fidelity (3.3.11) between two quantum processes

3.4 Quantum processing

3.4.1

quantum information processing

quantum processing

process, algorithm or computation that stores and processes quantum information (3.3.1) using, in an essential way, properties such as quantum superposition (3.2.8) and quantum entanglement (3.2.10)

Note 1 to entry: Examples of common quantum processes where fidelities are reported include quantum gates (3.4.2) and quantum measurements (3.2.16) .

3.4.2

quantum gate

applied quantum (3.2.4) operation that transforms input quantum states (3.2.7) into output quantum states

Note 1 to entry: Individual quantum gates are defined or characterised by the specific mathematical transformation between input and output quantum states.

Note 2 to entry: The processing of quantum information (3.3.1) via a nontrivial sequence of quantum gates is the defining feature of circuit-based quantum computing (3.4.11) . In the context of quantum circuits (3.4.5) , individual quantum gates usually act on a limited number of qubits (3.3.3) .

Note 3 to entry: In quantum processors (3.4.8) , quantum gates are often implemented via finite-duration quantum system (3.2.6) evolution or operations that are activated by external controls, signals or components.

3.4.3

unitary gate

quantum gate (3.4.2) that preserves inner products between quantum states (3.2.7)

Note 1 to entry: Unitary gates do not cause decoherence (3.2.19) of the quantum system (3.2.6) .

3.4.4

gate fidelity

process fidelity (3.3.12) defined in relation to an ideal target quantum gate (3.4.2)

Note 1 to entry: In quantum computing, the ideal target quantum gate is usually a unitary gate (3.4.3) .

3.4.5

quantum circuit

combination or sequence of quantum gates (3.4.2) and other operations

Note 1 to entry: Quantum circuits are usually designed to perform a more complex function than individual gates.

Note 2 to entry: Examples of other operations in this context include quantum state (3.2.7) preparation and quantum measurement (3.2.16) .

3.4.6

quantum error correction

procedure to diagnose and correct errors in the constituent parts of a logical qubit (3.3.7) without measuring any logically encoded quantum information (3.3.1) , by exploiting the logical qubit’s symmetries

Note 1 to entry: Typically, errors are caused by interactions with the environment or by inaccurate implementation of quantum gates (3.4.2) .

Note 2 to entry: Quantum error correction protocols can also be designed to work for -dimensional logical qudits (3.3.8) .

Note 3 to entry: The aim of quantum error correction is to reduce the sensitivity of quantum information (3.3.1) encoded in a logical qubit or logical qudit to errors and imperfections in its constituent parts.

3.4.7

quantum error mitigation

procedure designed to ameliorate or partially compensate for errors, noise or their effects in a quantum processor (3.4.8) to reduce errors in its output or results

Note 1 to entry: Quantum error mitigation can be implemented either during quantum processor run-time or data post-processing.

Note 2 to entry: Quantum error mitigation techniques are not always compatible with quantum error correction (3.4.6) or fault-tolerant quantum computing (3.4.11) , but when they are, may form part of a suite of measures designed to reduce quantum circuit (3.4.5) error rates to a level where they surpass the threshold for full fault tolerance.

3.4.8

quantum processor

tangible device that performs quantum information processing (3.4.1)

3.4.9

quantum algorithm

algorithm (3.1.9) for use on a quantum processor (3.4.8)

Note 1 to entry: Quantum algorithms often incorporate aspects from both classical information processing and quantum information processing (3.4.1) .

Note 2 to entry: The output of a quantum algorithm as used in this definition is intended to be a very flexible concept. For example, it could be the outcome of a quantum measurement (3.2.16) of a quantum state (3.2.7) , the state itself to be used directly as a resource for further computation, or it could even just be the current state of the quantum processor, as might be the case during ongoing quantum error-correction (3.4.6) of a logical quantum memory (3.4.29) .

Note 3 to entry: Quantum algorithms can be designed so that they need to be run multiple times to extract the required result, for example, to overcome noise or as a means to implement a target algorithm efficiently using approximate quantum circuits (3.4.5) .

3.4.10

quantum computer

fully programmable quantum processor (3.4.8) that can implement or approximate any unitary dynamics defined within its full Hilbert space (3.2.1)

Note 1 to entry: In circuit-based quantum computing (3.4.13) , a quantum computer has access to a universal set of quantum gates (3.4.2) .

Note 2 to entry: Quantum computers most commonly use quantum information (3.3.1) encoded in qubits (3.3.3) .

Note 3 to entry: A restricted or non-universal quantum computer belongs to the broader category of quantum processors (3.4.8) , which includes both universal and non-universal quantum computers, including examples such as quantum simulators (3.4.22) and quantum annealers (3.4.31) .

3.4.11

quantum computing

computation that can be carried out on a quantum computer (3.4.10)

3.4.12

fault-tolerant quantum computing

quantum computing (3.4.11) that uses fault-tolerant quantum circuit (3.4.5) design principles that inhibit individual errors from cascading through the computation in an unbounded manner

Note 1 to entry: When combined with quantum error correction (3.4.6) , fault-tolerant quantum computing exhibits a finite error threshold, relative to an error model, that is independent of computation size, below which arbitrarily long computations can be carried out to arbitrarily good precision.

Note 2 to entry: Although the definition of fault-tolerant quantum computing does not necessarily need error correction, it is common usage that both fault-tolerant design principles and quantum error correction are required to achieve full fault tolerance.

3.4.13

circuit-based quantum computing

gate-based quantum computing

archetypal model of quantum computing (3.4.11) based on execution of quantum circuits (3.4.5)

3.4.14

one-way quantum computing

measurement-based quantum computing

measurement-based model of quantum computing (3.4.11) executed by performing, on a highly entangled resource state, a sequence of single-qubit (3.3.3) quantum measurements (3.2.16) and feedforward operations

Note 1 to entry: The resource state can be either prepared prior to commencement of the computation, or continually extended during computation from an initial resource state to keep ahead of the measurement and feed-forward operations.

3.4.15

adiabatic quantum computing

Hamiltonian-based model of quantum computing (3.4.11) involving continuous and gradual evolution of a quantum state (3.2.7) towards a desired solution state

3.4.16

topological quantum computing

model of quantum computing (3.4.11) using topologically ordered quantum systems (3.2.6) with non-Abelian excitations where quantum gates (3.4.2) are performed by braiding

Note 1 to entry: Topologically ordered quantum systems are usually associated with a gapped ground quantum state (3.2.7) with degeneracy dependent on the topological properties (typically, a Betti number) of the underlying spatial manifold, and gapless edge modes when boundaries are present. For example, in the case of two-dimensional spatial manifolds, excitations are particle-like with anyonic statistics (anyons).

Note 2 to entry: Examples of non-Abelian anyons include quasiparticles in Majorana edge modes in 1D nanowires and non-Abelian quantum double spin-lattice models. Defects in surface-code qubit (3.3.3) lattices provide an example of Abelian anyons.

3.4.17

quantum code

<quantum error>set of basis states (3.2.9) used to encode a logical qubit (3.3.7) or logical qudit (3.3.6) to enable quantum error correction (3.4.6) , suppression, detection or fault-tolerant quantum computing (3.4.16)

Note 1 to entry: Illustrative examples include repetition codes, surface codes and GKP codes.

3.4.18

quantum coding

<quantum error>use of quantum codes (3.4.17) to protect quantum information (3.3.1)

Note 1 to entry: For use in quantum error correction (3.4.6) , quantum communication (3.6.1) or quantum cryptography

3.4.19

quantum coding

<fundamental quantum information theory> quantum encoding (3.3.2)

3.4.20

quantum coding

<quantum programming> coding (3.4.19) for a quantum processor (3.4.1)

3.4.21

quantum programming

<quantum software> programming (3.1.6) for a quantum processor (3.4.8)

3.4.22

quantum simulator

quantum emulator

<classical software> simulator (3.1.4) of quantum circuits (3.4.5) or quantum systems (3.2.6) that uses a classical computer program

3.4.23

quantum simulator

simulator (3.1.4) of the dynamics of the model (3.1.1) for a complex target system using a quantum processor (3.4.8)

3.4.24

digital quantum simulator

quantum simulator (3.4.22) that uses discretised quantum circuits (3.4.5)

3.4.25

analogue quantum simulator

quantum emulator

quantum simulator (3.4.23) whose dynamics directly maps the full dynamics of a model (3.1.1) for a target quantum system (3.2.6)

Note 1 to entry: An analogue quantum simulator is normally designed to be tuned, controlled, and measured in a useful way that, for example, is not necessarily easily realizable in an underlying target quantum system.

3.4.26

circuit-based quantum computer

gate-based quantum computer

tangible device that performs circuit-based quantum computing (3.4.13)

3.4.27

one-way quantum computer

tangible device that performs one-way quantum computing (3.4.14)

Note 1 to entry: In quantum physics (3.2.3) , adiabatic evolution is defined as evolution that is continuous and gradual, compared with the instantaneous gap between energy eigenstates (3.2.13) of the time-dependent Hamiltonian (3.2.12) .

3.4.28

adiabatic quantum computer

tangible device that performs adiabatic quantum computing (3.4.15)

3.4.29

quantum memory

component of a device or quantum processor (3.4.8) that can store a quantum state (3.2.7) or quantum system (3.2.6) for later retrieval

3.4.30

simulator

device, computer program, or system that behaves or operates like a given system when provided a set of controlled inputs

[SOURCE:ISO/IEC/IEEE 24765:2017, 3.3750]

3.4.31

quantum annealer

quantum processor (3.4.8) that exploits quantum (3.2.4) tunnelling induced as a result of slow, or adiabatic, variation of its Hamiltonian (3.2.12) to find a minimum energy quantum state (3.2.7) that encodes solutions to a discrete classical search or optimization problem

Note 1 to entry: The key principles of slow control-parameter evolution used in quantum annealing are similar to those used in adiabatic quantum computing (3.4.15) .

3.4.32

coupler

<quantum hardware>hardware element, or part of a hardware element, designed to connect and enable interaction between two or more parts of a quantum system (3.2.6) , quantum (3.2.4) device or quantum processor (3.4.8)

Note 1 to entry: In quantum hardware, coupler elements can be both classical or explicitly quantum in design, so long as the element operates to maintain quantum coherence (3.2.18) . Examples include classical elements such as optical mode couplers in integrated photonics and capacitive couplers in superconducting microwave circuits, and quantum elements such as superconducting qubits (3.3.3) or resonators used as coupling buses.

3.5 Quantum technologies

3.5.1

quantum simulation

computational task that aims to calculate the static and dynamic physical properties of complex quantum systems (3.2.6)

Note 1 to entry: Quantum simulations only offer an advantage over classical computing if the quantum system is sufficiently complex, e.g. it has sufficiently many constituents or experiences complex dynamics in a sufficiently large Hilbert space (3.2.1) .

Note 2 to entry: In the context of quantum computing (3.4.11) , quantum simulation algorithms are typically digitised to enable scaleable, fault-tolerant simulations. Analogue quantum simulators engineer quantum systems to directly mimic a target system, but do not achieve fault tolerant operation.

Note 3 to entry: Example applications of quantum simulations include advanced materials manufacturing, quantum chemistry, and pharmaceutical design.

3.5.2

quantum machine learning

suite of computational tasks that combine concepts and tools from machine learning (3.1.3) and quantum algorithms (3.4.9)

Note 1 to entry: Within quantum (3.2.4) machine learning, four current distinct development directions are: (i) quantum-assisted machine learning which uses quantum computers (3.4.10) to accelerate training and development of models (3.1.1) for classical machine learning, (ii) quantum-enhanced machine learning ここで, quantum computers accelerate a particular subroutine of a classical machine learning application, (iii) machine-learning-assisted quantum ここで, classical machine learning is used to optimize compilation of quantum algorithms for hardware platforms, and (iv) quantum-intrinsic machine learning where machine learning is inherently quantum such as quantum neural networks and quantum support vector machines.

3.5.3

sampling algorithm

computational task that aims to produce output samples according to a given probability distribution

Note 1 to entry: Examples of quantum (3.2.4) sampling algorithms include quantum Gibbs sampling and quantum Metropolis sampling.

Note 2 to entry: Applications of sampling algorithms include material science, quantum chemistry and cryptography. Sampling algorithms are sometimes used to solve optimization (3.5.4) problems.

3.5.4

optimization

computational optimization task carried out via quantum information processing (3.4.1)

Note 1 to entry: Examples of quantum (3.2.4) optimization algorithms include quantum semidefinite programming, quantum combinatorial optimization and quantum algorithms (3.4.9) for satisfiability problems. In addition, variational quantum eigen solvers, quantum approximate optimization algorithms (QAOA), quantum annealing algorithms and quantum adiabatic optimization, are typically used for cost-function minimisation and pattern matching.

Note 2 to entry: Potential end-user applications of quantum optimization algorithms include financial portfolio optimization, supply-chain optimization and scheduling optimization.

3.5.5

linear systems solving

computational task that outputs the vector solution which satisfies a specified system of linear equations

Note 1 to entry: Linear systems solving finds many applications across science, mathematics, engineering, medicine, business and social science.

Note 2 to entry: The main quantum algorithm (3.4.9) for solving equations of linear systems is known as the HHL (Harrow, Hassidim and Lloyd) algorithm, and maps the solution onto the stored register state of a quantum computer (3.4.10) .

3.5.6

search algorithm

computational task that aims to find the input to a function that produces a specified output, potentially with the assistance of an auxiliary probabilistic guessing algorithm

Note 1 to entry: Grover’s quantum (3.2.4) search algorithm and the quantum amplitude amplification algorithm solve unstructured search and heuristic search problems (those which can access a probabilistic guessing algorithm – the heuristic), respectively, with a quadratic speed-up over classical algorithms.

Note 2 to entry: Grover’s quantum search algorithm can be applied to any problem in the complexity class NP (nondeterministic polynomial time).

3.5.7

hidden subgroup problem

computational task that aims to find a subgroup which is hidden by a given function acting on a mathematical group

Note 1 to entry: In the case a group is Abelian, hidden subgroup problems have efficient, i.e. polynomial time, solutions by quantum algorithms (3.4.9) .

Note 2 to entry: Efficient quantum algorithms to solve hidden subgroup problems provide an efficient way to break a range of cryptosystems using quantum computers (3.4.10) . Important examples including the Shor’s period finding quantum algorithm which can efficiently factor semi-prime integers thus compromising the RSA encryption protocol, and Shor’s discrete logarithm quantum algorithm which can efficiently break elliptic-curve cryptography.

3.5.8

boson sampling

model of quantum information processing (3.4.1) implementing a sampling algorithm (3.5.3) which generates samples from a random unitary quantum circuit (3.4.5) operating on boson-like quantum systems (3.2.6)

Note 1 to entry: Boson sampling is not universal for quantum computing (3.4.11) and is not error correctable with existing schemes.

Note 2 to entry: Bosons are particles that are indistinguishable under particle exchange.

Note 3 to entry: In the context of quantum computing, the most commonly used bosons are harmonic oscillator mode excitations such as photons. Boson sampling is usually implemented with photons and linear optical circuits.

Note 4 to entry: Bosons are commonly used to encode qudit (3.3.4) quantum information (3.3.1) .

Note 5 to entry: The random circuit sampling protocol implements a quantum random sampling algorithm for qubit (3.3.3) quantum information processors, and forms the basis of the first quantum supremacy experiments in quantum computing. Similarly, boson sampling has been used as the basis for demonstrating quantum supremacy in some non-universal quantum information processors.

3.6 Related quantum technologies

3.6.1

quantum communication

communication that utilizes for information exchange quantum information processing (3.4.1) in an essential way

Note 1 to entry: Protocols that use classical information processing and transmission at all stages of communication, like post-quantum cryptography, fit into the broader category of quantum-secure or quantum-safe communication, rather than quantum communication.

3.6.2

quantum cryptography

cryptography that utilizes quantum communication (3.6.1) in an essential way

3.6.3

quantum sensor

tangible device that performs quantum sensing (3.6.4)

Note 1 to entry: A useful quantum sensor would have the capacity to provide improved performance over what can be achieved with a conventional sensor, and this improvement would arise from the quantum (3.2.4) properties exploited by the sensor.

3.6.4

quantum sensing

process that uses quantum information processing (3.4.1) to measure a physical quantity of interest

Bibliography

1ISO/IEC 2382:2015, Information technology — Vocabulary
2ISO/IEC 18031:2011, Information technology — Security techniques — Random bit generation
3ISO/IEC 22989:2022, Information technology — Artificial intelligence — Artificial intelligence concepts and terminology
4ISO/IEC/IEEE 24765:2017, Systems and software engineering — Vocabulary