At bringe et elværktøj fra matematik til kvanteberegning

Fouriertransformationen er et vigtigt matematisk værktøj, der nedbryder en funktion eller et datasæt til dets frekvenser, meget ligesom man kunne nedbryde en musikalsk akkord til en kombination af dens noter. Det bruges på tværs af alle ingeniørområder i en eller anden form og, derfor, Der er udviklet algoritmer til at beregne det effektivt - det vil sige i hvert fald for konventionelle computere. Men hvad med kvantecomputere?

Selvom quantum computing fortsat er en enorm teknisk og intellektuel udfordring, det har potentiale til at fremskynde mange programmer og algoritmer enormt, forudsat at passende kvantekredsløb er designet. I særdeleshed, Fourier -transformen har allerede en kvanteversion kaldet quantum Fourier -transformen (QFT), men dets anvendelighed er ret begrænset, fordi dens resultater ikke kan bruges i efterfølgende kvante -aritmetiske operationer.

For at løse dette problem, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Quantum Information Processing , forskere fra Tokyo University of Science udviklede et nyt kvantekredsløb, der udfører den kvantehurtige Fourier -transformation (QFFT) og fuldt ud nyder godt af særegenhederne i kvanteverdenen. Ideen til undersøgelsen kom til hr. Ryo Asaka, første års kandidatstuderende og en af ​​forskerne på undersøgelsen, da han først lærte om QFT og dens begrænsninger. Han troede, at det ville være nyttigt at skabe et bedre alternativ baseret på en variant af standard Fourier -transformen kaldet den hurtige Fourier -transform (FFT), en uundværlig algoritme i konventionel computing, der i høj grad fremskynder tingene, hvis inputdataene opfylder nogle grundlæggende betingelser.

For at designe kvantekredsløbet til QFFT, forskerne skulle først udtænke kvante -aritmetiske kredsløb for at udføre FFT's grundlæggende operationer, såsom tilføjelse, subtraktion, og cifferforskydning. En bemærkelsesværdig fordel ved deres algoritme er, at der ikke genereres 'skraldestik'; beregningsprocessen ikke spilder nogen qubits, den grundlæggende enhed for kvanteinformation. I betragtning af at øget antal qubits i kvantecomputere har været en opadgående kamp i løbet af de sidste par år, det faktum, at dette nye kvantekredsløb til QFFT kan bruge qubits effektivt er meget lovende.

En anden fordel ved deres kvantekredsløb i forhold til det traditionelle QFT er, at deres implementering udnytter en unik egenskab ved kvanteverdenen til i høj grad at øge beregningshastigheden. Lektor Kazumitsu Sakai, der ledede undersøgelsen, forklarer:"I kvanteberegning, vi kan behandle en stor mængde information på samme tid ved at drage fordel af et fænomen, der kaldes 'overlejring af stater'. Dette giver os mulighed for at konvertere en masse data, f.eks. flere billeder og lyde, ind i frekvensdomænet på én gang. "Behandlingshastighed nævnes regelmæssigt som den største fordel ved kvanteberegning, og dette nye QFFT -kredsløb repræsenterer et skridt i den rigtige retning.

I øvrigt, QFFT -kredsløbet er meget mere alsidigt end QFT, som adjunkt Ryoko Yahagi, der også deltog i undersøgelsen, bemærker:"En af de vigtigste fordele ved QFFT er, at den kan anvendes på ethvert problem, der kan løses af den konventionelle FFT, såsom filtrering af digitale billeder på det medicinske område eller analyse af lyde til tekniske applikationer. "Med kvantecomputere (forhåbentlig) lige rundt om hjørnet, resultaterne af denne undersøgelse vil gøre det lettere at anvende kvantealgoritmer til at løse de mange tekniske problemer, der er afhængige af FFT.