Квантовые компьютеры вызывают большой интерес благодаря своим возможностям, которые при решении некоторых задач превышают
${ }^{1}$ Physics Division, Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439.
E-mail: pbenioff@anl.gov.
Перевод М. В. Чичикиной.
возможности классических компьютеров $[1,2]$. В большинстве работ на эту тему квантовые компьютеры рассматриваются как системы, работающие в изоляции от внешних систем (окружающей среды). До сих пор работы по квантовым компьютерам, учитывающие их взаимодействие с окружающей средой, ограничивались большей частью шумовыми эффектами, исследованием баз данных и квантовыми вычислениями с оракулами. Авторы рассматривали окружающую среду как источник шума и ошибок. Это стимулировало развитие квантовых кодов, корректирующих ошибки, служащих для минимизации таких эффектов $[3,4]$. Другие методы основываются на свойствах систем с относительно большими временами декогерентности $[5,6]$. Квантовые вычисления с оракулами пока получили меньшее развитие [7]. Базы данных широко исследуются в настоящее время [2].

В данной работе главное внимание уделено общим проблемам квантовых компьютеров и их взаимодействию с окружающей средой. Особый интерес представлнют квантовые компьютеры со вспомогательными системами, которые могут двигаться и взаимодействуют с окружающей средой. Эти свойства можно принять за определение квантовых роботов.

Квантовые роботы интересны с общей точки зрения [8]. Если квантовая механика является универсальной теорией, то системы, производящие теоретические вычисления (компьютеры), и физические эксперименты для проверки теоретических предсказаний (роботы) должны быть описаны в рамках квантовой механики, т. е. именно как квантовые компьютеры и квантовые роботы. Следовательно, системы, проверяющие применимость квантовой механики, должны быть описаны той же самой теорией, которую они проверяют. Квантовая механика сама должна описывать свою собственную пригодность [9].

С этим связан еще один довод в пользу изучения квантовых роботов и их взаимодействия с окружающей средой. Они помогают сделать первые очень малые шаги к квантовомеханическому описанию систем, которые собирают информацию об окружающей среде, принимают решения, интеллектуальны и создают теории, такие как квантовая механика $[10,11,12]$. Если квантовая механика универсальна, то эти системы должны быть описаны с помощью квантовой механики в максимально возможном диапазоне.

Есть и другая причина, по которой следует изучать квантовые роботы: в этом случае не существует ограничений на тип окружающей
среды. Окружения, изучаемые далее, такие как оракулы, базы данных и квантовые регистры, являются частными типами окружения. Эти специфические типы окружающей среды описываются в следующем разделе. Там же приведены причины, по которым квантовые роботы должны включать квантовые компьютеры и не могут быть просто головками внешних устройств.

Раздел 3 содержит обзор динамических моделей взаимодействий квантовых роботов с окружающей средой, которые обсуждались еще в [8]. Динамика описывается в терминах задач, решаемых квантовыми роботами. Задачи определены как последовательности сменяющих друг друга фаз вычислений и действий. Модель описывает динамику задачи в терминах итераций пошаговых операторов и фейнмановских сумм по фазовым траекториям.

В разделе 4 приведен простой пример задачи измерения расстояния между квантовым роботом и частицей.

Пример является обобщением описанных в других работах задач, в которых суммы по различным траекториям состояний включены в сумму по фазовым траекториям. Описание задачи, включая необходимые шаги, дано вместе с представлением задачи как диаграммы решения. Обсуждается также условие на точность. В последнем разделе обсуждается сложность даже простейших измерений как задач для квантовых роботов и возможная связь гипотезы Черча-Тьюринга $[15,16]$ с физическими экспериментами [8].