Kvantinterferens i informationsteknologiens service

Forskere fra Det Fysiske Fakultet, Universitetet i Warszawa, i samarbejde med University of Oxford og NIST, har vist, at kvanteinterferens muliggør behandling af store datasæt hurtigere og mere præcist end ved standardmetoder. Deres undersøgelser kan øge anvendelsen af ​​kvanteteknologier inden for kunstig intelligens, robotik og medicinsk diagnostik, for eksempel. Resultaterne af dette arbejde er blevet offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Moderne videnskab, medicin, teknik og informationsteknologi kræver effektiv behandling af data - stillbilleder, lyd- og radiosignaler, samt information, der kommer fra forskellige sensorer og kameraer. Siden 1970’erne har dette er opnået ved hjælp af Fast Fourier Transform -algoritmen (FFT). FFT gør det muligt effektivt at komprimere og overføre data, gem billeder, udsende digitalt tv, og tale over en mobiltelefon. Uden denne algoritme, medicinske billeddannelsessystemer baseret på magnetisk resonans eller ultralyd ville ikke have været udviklet. Imidlertid, det er stadig for langsomt til mange krævende applikationer.

For at nå dette mål, forskere har i årevis forsøgt at udnytte kvantemekanikken. Dette resulterede i udviklingen af ​​et kvantemodstykke til FFT, Quantum Fourier Transform (QFT), som kan realiseres med en kvantecomputer. Da kvantecomputeren samtidigt behandler alle mulige værdier (såkaldte "superpositioner") af inputdata, antallet af operationer falder betydeligt.

På trods af den hurtige udvikling af quantum computing, der er en relativ stagnation inden for kvantealgoritmer. Nu har forskere vist, at dette resultat kan forbedres, og på en ret overraskende måde.

Kravchuk -transformation

Matematik beskriver mange transformationer. En af dem er en Kravchuk -transformation. Det ligner meget FFT, da det tillader behandling af diskrete (f.eks. digitale) data, men bruger Kravchuk -funktioner til at nedbryde indgangssekvensen i spektret. I slutningen af ​​1990'erne Kravchuk -transformen blev "genopdaget" inden for datalogi. Det viste sig at være fremragende til billed- og lydbehandling. Det gjorde det muligt for forskere at udvikle nye og meget mere præcise algoritmer til genkendelse af trykt og håndskrevet tekst (herunder endda det kinesiske sprog), gestus, tegnsprog, mennesker, og ansigter. For et dusin år siden, det blev vist, at denne transformation er ideel til behandling af lav kvalitet, støjende og forvrængede data, og dermed kunne den bruges til edb -vision i robotik og autonome køretøjer. Der er ingen hurtig algoritme til at beregne denne transformation, men det viser sig, at kvantemekanik gør det muligt at omgå denne begrænsning.

"Hellig gral" i datalogi

I deres artikel offentliggjort i Videnskab fremskridt , forskere fra University of Warsaw - Dr. Magdalena Stobinska og Dr. Adam Buraczewski, forskere fra University of Oxford, og NIST, har vist, at den enkleste kvanteport, som interfererer mellem to kvantetilstande, beregner i det væsentlige Kravchuk -transformationen. En sådan port kunne være en velkendt optisk enhed-en strålesplitter, som deler fotoner mellem to udgange. Når to tilstande af kvantelys kommer ind i sine inputporte fra to sider, de blander sig. For eksempel, to identiske fotoner, der samtidig indtaster denne enhed, flok i par og kom ud sammen ved den samme udgangsport. Dette er den velkendte Hong-Ou-Mandel-effekt, som også kan udvides til tilstande lavet af mange partikler. Ved at blande "pakker" bestående af mange fotoner, der ikke kan skelnes (skelnen er meget vigtig, da dets fravær ødelægger kvanteeffekten), som koder for oplysningerne, man opnår en specialiseret kvantecomputer, der beregner Kravchuk -transformationen.

Eksperimentet blev udført i et kvanteoptisk laboratorium ved Institut for Fysik ved University of Oxford, hvor et specielt setup blev bygget til at producere multiphoton -kvantetilstande, såkaldte Fock-stater. Dette laboratorium er udstyret med TES (Transmission Edge Sensors), udviklet af NIST, der fungerer ved næsten absolut nul temperaturer. Disse detektorer har en unik egenskab:de kan faktisk tælle fotoner. Dette giver en mulighed for præcist at læse kvantetilstanden, der forlader strålesplitteren og dermed, resultatet af beregningen. Mest vigtigt, sådan en beregning af kvante -Kravchuk -transformationen tager altid den samme tid, uanset størrelsen af ​​inputdatasættet. Det er datavidenskabens "hellige gral":en algoritme, der kun består af en operation, implementeret med en enkelt port. Selvfølgelig, for at opnå resultatet i praksis, man skal udføre eksperimentet flere hundrede gange for at få statistikken. Sådan fungerer hver kvantecomputer. Imidlertid, det tager ikke lang tid, fordi laseren producerer snesevis af millioner af multiphoton "pakker" pr. sekund.

Resultatet opnået af forskere fra Polen, Storbritannien og USA vil finde applikationer i udviklingen af ​​nye kvanteteknologier og kvantealgoritmer. Dets anvendelsesområde rækker ud over kvantefotonik, da en lignende kvanteinterferens kan observeres i mange forskellige kvantesystemer. Universitetet i Warszawa ansøgte om et internationalt patent på denne innovation. Forskerne håber, at Kravchuk -transformationen snart finder anvendelse i kvanteberegning, hvor det bliver en komponent i nye algoritmer, især i hybridkvant-klassiske computere, der fletter kvantekredsløb med "normale" digitale layouts.