Tager statistik til kvantedomænet

(Phys.org)—Forandringspunktsproblemet er et begreb i statistik, der dukker op i en lang række situationer i den virkelige verden, fra aktiemarkeder til proteinfoldning. Ideen er at opdage det nøjagtige punkt, hvor en pludselig ændring er sket, hvilket kunne tyde på, for eksempel, udløseren af ​​en finanskrise eller et fejlfoldet proteintrin.

Nu i et nyt blad udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , fysikere Gael Sentís et al . har taget change point-problemet til kvantedomænet.

"Vores arbejde sætter en vigtig milepæl inden for kvanteinformationsteori ved at overføre et grundlæggende værktøj for klassisk statistisk analyse til en fuldstændig kvanteopsætning, "Sentis, ved universitetet i Baskerlandet i Bilbao, Spanien, fortalt Phys.org .

"Med et stadigt voksende antal lovende anvendelser af kvanteteknologier i alle former for databehandling, opbygning af en kvantestatistisk værktøjskasse, der er i stand til at håndtere praktiske problemer i den virkelige verden, hvorpå ændringspunktdetektion er et fremtrædende eksempel, vil være afgørende. I vores avis, vi demonstrerer arbejdsprincipperne for kvanteændringspunktdetektion og letter grundlaget for yderligere forskning om ændringspunkter i anvendte scenarier."

Selvom problemer med forandringspunkter kan håndtere meget komplekse situationer, de kan også forstås med det simple eksempel på at spille et spil Heads or Tails. Dette spil begynder med en fair mønt, men på et ukendt tidspunkt i spillet skiftes mønten til en skæv. Ved statistisk at analysere resultaterne af hvert møntkast fra begyndelsen, det er muligt at bestemme det mest sandsynlige tidspunkt, hvor mønten blev skiftet.

Udvider dette problem til kvanteriget, fysikerne så på en kvanteanordning, der udsender partikler i en bestemt tilstand, men på et ukendt tidspunkt begynder kilden at udsende partikler i en anden tilstand. Her kan kvanteændringspunktproblemet forstås som et problem med kvantetilstandsdiskrimination, da bestemmelse af hvornår ændringen i kilden skete er det samme som at skelne mellem alle mulige sekvenser af kvantetilstande af de udsendte partikler.

Fysikere kan bestemme ændringspunktet i denne situation på to forskellige måder:enten ved at måle tilstanden af ​​hver partikel, så snart den ankommer til detektoren (en "lokal måling"), eller ved at vente, indtil alle partiklerne har nået detektoren og foretage en måling til allersidst (en "global måling").

Selvom den lokale målemetode lyder tiltalende, fordi den potentielt kan detektere ændringspunktet, så snart det sker uden at vente på, at alle partiklerne udsendes, forskerne fandt ud af, at globale målinger overgår selv de bedste lokale målestrategier.

"Fangsten" er, at globale målinger er sværere at eksperimentelt realisere og kræver en kvantehukommelse til at lagre kvantetilstandene, når de ankommer til detektoren én efter én. De lokale målemetoder kræver ikke en kvantehukommelse, og i stedet kan implementeres ved hjælp af meget enklere enheder i rækkefølge. Da global detektion kræver en kvantehukommelse, resultaterne viser, at ændringspunktdetektion er et andet af de mange problemer, hvor kvantemetoder udkonkurrerer alle klassiske.

"Vi forventede, at globale målinger ville hjælpe, da sammenhængende kvanteoperationer har en tendens til at udnytte ægte kvanteressourcer og generelt udkonkurrere lokale operationer i mange informationsbehandlingsopgaver, " sagde Sentis. "Men dette er en sagsafhængig fordel, og nogle gange er sofistikerede og smarte lokale strategier nok til at dække hullet. Det faktum, at der her er et begrænset ydeevnegab, siger noget grundlæggende om ændringspunktdetektion i kvantescenarier."

Resultaterne har potentielle anvendelser i enhver situation, der involverer analyse af data indsamlet over tid. Ændringspunktdetektion bruges også ofte til at opdele en dataprøve i delprøver, som derefter kan analyseres individuelt.

"Evnen til nøjagtigt at detektere kvanteændringspunkter har øjeblikkelig indflydelse på enhver proces, der kræver omhyggelig kontrol af kvanteinformation, " sagde Sentis. "Det kan betragtes som en kvalitetstestanordning til enhver informationsbehandlingsopgave, der kræver (eller producerer) en sekvens af identiske kvantetilstande. Anvendelser kan variere fra sondering af kvanteoptiske fibre til grænsedetektering i solid state-systemer."

I fremtiden, forskerne planlægger at udforske de mange anvendelser af kvanteændringspunktdetektion.

"Vi planlægger at udvide vores teoretiske metoder til at håndtere mere realistiske scenarier, " sagde Sentis. "Mulighederne er utallige. Et par eksempler på generaliseringer, vi undersøger, er flere ændringspunkter, støjende kvantetilstande, og detektering af ændringspunkter i optiske opsætninger."